玻璃纤维薄壁箱梁的制作与实验

2018-05-21钟坤宇牛耕野张秩笪

科学与财富 2018年7期

钟坤宇牛耕野张秩笪

摘要：近年来复合材料逐渐有成为土木工程行业新兴材料的趋势，纤维增强塑料复合材料箱梁具有力学性能好、自重轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点，因此在土木工程领域有着良好的开发及应用前景。

本文以跨度为610mm的复合材料箱型梁为研究对象，研究其在三点弯实验条件下的承载性能。本文主要运用ANSYS有限元分析软件进行数值模拟，运用MATLAB矩阵运算软件进行数据处理与运算。

先运用ANSYS软件对箱梁进行拓扑优化，依据拓扑优化结果对箱梁材料分配进行设计。然后通过APDL参数化建模并分析箱梁静力作用下的受力。

增加考虑复合材料分层失效的模型，与MATLAB结合循环运算，模拟复合材料层合结构刚度系数的折减，实现对复合材料箱型梁的极限承载能力设计，并完成了以玻璃纤维增强树脂基体为材料的箱型梁的优化设计以及铺层和工艺设计与实验。将实验结果与有限元结果对比，得到了较好的拟合结果，说明本文研究复合材料梁结构承载力的方法是正确可行的。

关键词：复合材料；箱梁；制作工艺；实验

复合材料是指由两种或两种以上的材料组成的一种有用的多相材料，它的各组分材料在化学性能或物理性能上是不同的，且各组分材料之间有明显的界面[1]。一般来说复合材料会具有两个相，一种是连续相（基体），其在复合材料中是连续存在的，另一种是分散相（增强材料），两者交界处称为界面。

复合材料按照分散相增强材料的纤维长短不同又可以分为长纤维（连续）增强复合材料与短纤维（非连续）增强复合材料，本文主要讨论长纤维增强复合材料。最简单的典型长纤维增强复合材料就是层合板，而本文讨论的研究对象复合材料箱型梁也可以看为由层合板组成的较复杂的结构。复合材料作为材料领域的后起之秀，现有的大多数复合材料都具有轻质高强的特点，而且复合材料的各向异性的特点使得其具有铺层角度、方式的可设计性，因此受到众多结构设计工程师的青睐。

工程的每一步发展都需要性能更加优越的工程材料的问世来实现，从最早用碳纤维材料建造直布罗陀海峡大桥的构想被提出开始，复合材料不断在土木工程领域展现着它独特的诱惑力。同时箱型梁因为其稳定性良好和抗扭刚度大等特点经常被以主横向承力构件应用于工程之中。而现在对于复合材料箱型梁的承载性能研究还较少，从理论到实际应用的过程中都还有很多的问题需要我们来探索解决。

1 复合材料箱型梁的制作与实验

1.1箱型梁的制备

1.1.1 材料选取

行业内常见的成型复合材料产品按纤维材料分主要有碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等，按纤维布的工艺种类又可以分为无工艺单向布、正交织布、斜交织布等等。

考虑到原材料成本、制作工艺难易度、可设计性等因素的综合影响，本文采用玻璃纤维单向纤维预浸料无工艺布，基体采用环氧树脂。本文主要采用了S15000型预浸料。

1.1.2 成形方法的选择

本文主要采用模压成型法和真空袋法，这两种方法都需要与产品高精度贴合的模具，所以在铺层之前应进行模具的设计与准备。

1.1.3 模具的准备

本次玻璃纤维箱梁的制作需要用到的主要模具有四部分：砂芯模、腹板左右钢模侧板、底板钢模和顶模。如图1.1.1所示。

将纤维铺层缠绕在砂芯模上，形成所需箱梁的内空间，通过上、下、左、右四个方位加压保证内部纤维均匀受压且与模板贴合精确成形。模具的工程圖如图1.1.2-1.1.6所示。

其中砂芯模的制作与其他部位不同，砂芯模需要在预浸料固化成型后从箱型空间中脱离出来，所以不能用金属模具代替。本文采用的是聚乙烯醇溶液与细河沙混合加热烘干固化的方法，具体步骤为：

① 配置聚乙烯醇溶液：将干燥的聚乙烯醇与水以质量比1：10混合均匀，放入烘箱内在温度下烘烤4至5个小时，溶液变为澄清透明即可；

② 以溶液与细沙体积比1：5混合配制好的聚乙烯醇溶液与筛至合理级配的细沙，需要注意的是需在溶液冷却至少40min之后才能与沙混合，体积比可以根据砂芯模具体性能需要进行调整，聚乙烯醇体积比越大，砂芯模成品强度越高；图1.1.7为配置的聚乙烯醇溶液与所用细沙。

③ 砂芯模成型：在预制好的模具槽中铺好适量锡纸（避免固化时沙子与模具粘结），倒入与聚乙烯醇溶液混合均匀的细沙，夯实，整平，然后合模加压；

④ 加热烘干成型：把加压固定好的砂芯模放入烘箱，加热至并保持12h，待冷却后可拆开模具取出已固化的砂芯模。

如图1.1.8为拆模过程中的砂芯模，由于砂芯表面比较粗糙，需要在砂芯表面涂抹薄薄的一层石膏并进行打磨以达到需要的表面平整度。

模具制作完成后，需要在模具表面粘贴脱模布或者涂刷脱模剂，脱模布（脱模剂）表面与树脂粘性较差，便于树脂固化后脱模。

1.1.4下料与铺层

下料与铺层是整个复合材料制品制作过程中最重要也是最复杂的一个环节，因为下料与铺层能直接反应设计者的原始设计，如有轻微偏差都有可能导致与设计方案大相径庭。

如图1.1.9为箱梁1/2跨中处的铺层横截面示意图。

将预浸料纤维布裁剪成铺层时所需的每一份的形状和尺寸，称之为下料。下料图是指将纤维要裁剪的轮廓用绘图软件或者手工按照1：1的比例绘制出来，并进行合理布局排版以减少废弃的边角料。可以通过绘制的下料图导入激光切割机直接对纤维布进行切割，也可以打印在纸张上用手工进行裁剪。图1.1.10为某次制作箱梁时的下料图。

下料图应与纤维布的布幅保持一致（一般宽幅在1.2m-1.5m之间），需要注意的是，激光切割机的能级设置不宜过高，否则会烧坏纤维（尤其是天然纤维这种能燃烧氧化的纤维），而且若是切割预浸料，也会使预浸料中的数值受热固化。所以本文的各次实验中采用打印在纸张上，然后进行手工裁剪。

由于铺层层数较多，为了避免铺层时气泡过多导致纤维蓬松不密实，需要在铺层的过程中对其进行低压辅助。具体做法为：将铺层过的箱梁放入密封的真空袋中，用真空泵对其持续施加负压，压力不小于0.8bar。

1.1.5 固化成型

用C型夹加压，然后放入烘箱按图1.1.11所示温度曲线进行加热固化。

复合材料的固化需要因材料而异、因构件尺寸而异，对于本文采用的玻璃纤维预浸料，按照构件的厚度尺寸不同，有如下两种加热固化制度。

当构件厚度小于5mm时，构件受热传递较快，从室温以的速率上升至，在密闭条件下保温90min，然后自然降温至以下脱模。

将铺层完成的箱梁放于模具内，组装合模并烘烤完成后打开烘箱静置两小时，待夹具与模具温度适宜后拆开模具进行脱模。

1.2 箱型梁的加载实验

为了验证分析计算极限荷载的科学性与精确度，采用与方案设计一致的加载方式，使用万能试验机进行加载实验。加载现场与加载曲线如图1.2.1。

从力-位移曲线中可以明显看出加载力有数次明显跌落（位移增加很小的范围内，加载力突然降低），这便是因为加载过程中箱梁内应力逐渐增大，大到一定程度时便出现逐层失效，当某层破坏时，梁的整体刚度突然折减，导致出现曲线中的跌落现象。

实验测试所得数据与有限元计算所得数据的对比如表1.2.1

由表1.2.1可以看出，首层失效计算所得的静力结果低于实验测得承载力，相对误差为-9.89%，所有层失效的极限强度计算结果高于实验测得结果，相对误差为+5.10%，相对于首层失效下的計算结果，相对误差数值减小了48.43%，说明极限强度计算结果精度相对首层失效计算结果精确度提升接近一半。