玻纤/环氧高强支撑的成型工艺与力学性能分析

王海芳，刘森川，杨永生

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)

玻纤/环氧高强支撑的成型工艺与力学性能分析

王海芳，刘森川，杨永生

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)

玻璃纤维/环氧高强支撑采用半干法缠绕铺放成型工艺，成型过程中首先制作玻璃纤维预浸带，利用有限元方法进行了校核，该结构未失效;对支撑进行了力学性能试验，结果表明:支撑性能完全达到技术指标。

高强支撑;半干法缠绕;有限元分析;模压成型;拉伸载荷;压缩载荷

1　引言

玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强、导热率低、电绝缘、结构可设计等优点，广泛应用于航空、交通、电力、化工等领域［1］。本文研究的支撑件用于某工程低热组件的支撑，要求具有低导热率和高支撑强度。玻璃纤维增强树脂基复合材料导热率不大于3.5×10-1W/(mK)，能够满足本产品要求，本文主要利用ANSYS有限元［2］分析方法对玻璃纤维/环氧高强支撑(简称高强支撑)的铺层结构进行了校核，利用半干法［3］缠绕铺放成型工艺制作出产品并进行力学性能测试。

2　高强支撑的结构设计

2.1高强支撑尺寸及强度要求

高强支撑为截锥状，高51 mm，上截面为内翻法兰结构，内外径分别为φ9、φ16，下截面为外翻法兰结构，内外径分别为φ25、φ38，外形如图1所示，壁厚为0.3±0.025 mm，精度要求高。强度指标为轴向抗拉大于或等于16 kN，轴向压缩大于或等于9 kN。因此本产品属于薄壁支撑结构件，对尺寸精度和结构强度均有较高要求。

2.2原材料选择

由于本产品要求低导热率，高尺寸精度、高力学强度，综合考虑选用高强玻璃纤维/环氧材料体系。

基体材料:环氧树脂，活性稀释剂，固化剂为液态酸酐。

增强材料:增强纤维采用南京玻纤院的SC8-240高强玻璃纤维，纤维强度大于2 500 MPa。

上述复合材料单向板参数如表1所示。

表1　高强玻璃纤维单向板材料参数

2.3高强支撑的铺层设计

在研制初期，高强支撑仅采用环向缠绕和纵向铺放的工艺铺层，产品成型之后进行了相应的拉伸和压缩试验，产品性能不能满足性能指标要求。通过进行强度优化设计，增加了螺旋缠绕层，从而获得最小壁厚、满足最大承载能力的铺层结构，如表2所示。

表2　高强支撑结构铺层

2.4利用ANSYS有限元分析方法的结构校核

2.4.1有限元模型

参照高强支撑的实际尺寸，采用ANSYS有限元［3］三维八节点shell99单元对模型进行分网，共划分1 360个单元。单元模型见图1。

2.4.2校核结果

采用ANSYS有限元的方法进行校核，校核输入表1的高强玻璃纤维单向板材料参数和表2中的成型工艺参数及表3载荷的边界条件作为初始条件。校核结果如表4所示，可以看出按照最大应力破坏准则校核结构未失效。

图1　单元模型

表3　载荷的边界条件

表4　利用有限元校核结果

3　高强支撑的成型工艺

本产品成型工艺采用半干法缠绕铺放加金属对模加压成型工艺，半干法可以更好的控制含胶量，金属对模加压成型不仅可以更好的控制产品外形尺寸，而且减少了后续表面加工工序，尽可能多的保留了连续纤维，使其强度得到最大的发挥。具体成型步骤如下:

(1)首先按照配方配置胶液。

(2)制作预浸带:选用型号为DCS-1型缠绕机，制作预浸带的具体步骤为:选用1团SC8-240高强玻璃纤维，在φ300的光筒模具进行1个循环的环向缠绕，纱片宽度设定为3 mm。缠绕过程中控制胶液的含量以获得比较高的纤维体积含量。预浸带缠绕完毕放入烘箱中，90℃保温1 h。

(3)裁料:把预浸带沿纤维方向裁成幅宽为5.5 mm的片材。

(4)缠绕铺放:按照表2中的铺层顺序在金属阳膜上缠绕铺放成型。

(5)采用金属对模加压工艺合模固化，固化制度为120℃±5℃/3 h±10 min+150℃±5℃/3 h± 10 min。

4　试验校核

4.1高强支撑的试验内容及技术指标

高强支撑验证性试验包括拉伸试验、压缩试验。技术指标为:支撑拉伸载荷≥16 kN;支撑压缩载荷≥9 kN。

试验产品从批次产品中进行抽检，其性能结果代表批产品的性能。

4.2高强支撑的试验设备

试验设备:WPM万能材料试验机，Instron-1185材料试验机，UCAM-8C通用测试仪，TEAC直流放大器，红山程序控制疲劳试验机，PE-8数字电压表，SA-34放大器，纸基电阻式应变片。

4.3高强支撑的试验结果

性能测试结果见表5-表6，其拉伸性能和压缩性能均满足设计要求。

表5　高强支撑拉伸性能

表6　高强支撑压缩性能

5　结语

(1)利用ANSYS有限元分析对铺层设计进行了校核，试验结果证明，该铺层设计很好的满足了产品设计要求。

(2)通过采用半干法缠绕铺放加金属对模加压成型的工艺方法成型，既有效的控制了含胶量，又保证了壁厚尺寸精度，并且避免了后续加工时纤维断裂带来的强度损失，进而同时满足了产品尺寸小、精度高、壁薄、高强度的要求，对同类其他复合材料的成型工艺设计也有一定的参考作用。

［1］王慧杰.航空复合材料树脂基体的现状及发展［J］.复合材料学报，1995，12(4):35-38.

［2］袁灵，张付元，庄汇泉，等.计算机在热锻设备上的应用［J］.锻压机械，1994(5):34-37.

［3］郑传祥.复合材料压力容器［M］.北京:化学工业出版社，2006:197.

Processing and Mechanical Properties of Glass-fiber Reinforced Epoxy-based Composites

WANG Haifang，LIU Senchuan，YANG Yongsheng
(Harbin FRP Institute，Harbin 150036)

In this paper molding process of high-strength and low thermal conductivity Glass-fiber Reinforced Epoxybased Composites strut was studied and mechanical properties of strut were discussed by experiment.The structure is proved safe by finite element method.The results show that performance of the support has achieved technical qualification.

high-strength strut;semi-dry winding;finite element;moulding;tensile-strength;compressive strength

2015-04-19)

王海芳(1978-)，女，河北人，硕士，工程师。研究方向:复合材料高压气瓶成型工艺。E-mail:freehfwang@126.com.