便捷式纤维增强复合材料制备装置结构设计与仿真分析

2022-05-10陈智勇黄晓婧李红刚程豫龙贾松岩康翔宇宋伟志

汽车实用技术 2022年8期

孙轶，陈智勇，黄晓婧，李红刚，程豫龙，贾松岩，康翔宇，宋伟志

（1.海军装备部，陕西西安 710054； 2.洛阳理工学院智能制造学院，河南洛阳 471023； 3.中国航空工业集团有限公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471009）

拉伸实验是纤维材料最基本的力学性能测试实验，高强度纤维板材的制备需要使用专业的拉伸设备来实现复合材料中增强纤维的有序排列，并且保证每束纤维上的张力一致，使得产品应力均匀、性能稳定。纤维增强的复合材料，通常是使用短切纤维和树脂材料混合，通过挤出、注塑、滚压或采用浸渍、液体传递模塑等方法制备得到相应的产品。其优势在于比强度和比模量比较高、材料的力学性能具备可设计性、抗腐蚀与耐久性比较好，通常用于各种建筑桥梁、公路以及军事领域。通常这种纤维增强材料的基体杂乱无章，需要使用纤维拉伸装置实现复合材料中增强纤维的有序排列。目前国外针对单向纤维材料的拉伸试验研究甚多，但是国内对于纤维增强材料的力学性能的试验研究尚不充分，作为材料基本力学性能的拉伸模量和强度，无法直接通过拉伸试验测得。

为了实现复合材料中增强纤维的有序性，从而提高板材强度，研究人员提出了很多纤维拉伸方法及拉伸装置，通常分为三大类：

（1）基于压电的悬臂梁式。此装置耦合在电光学显微镜上，能实现原位力学性能测试，结合定量化的力学信号给出纳米材料力学性能的物理图像。

（2）超声震动拉伸式。此装置利用超声震动原理对材料进行超声力学性能测试，试验效果好，并且解决了超声频率和超声振幅对材料断裂韧性的影响问题。

（3）采用模压和真空袋压成型式。此方法把纤维丝束筒安装于管架上，抽出纤维丝束抽头，丝束经过浸渍槽浸渍树脂后通过挤压辊挤压使得树脂充分进入丝束内部，且挤去多余的树脂，然后将丝束缠绕在缠丝架上，最后固化成型。

以上所述拉伸装置，从最早期的纯机械形式，发展为机械、光学、电磁学多种形式融合，其拉伸装置的结构复杂、造价成本较高、对操作人员的技术要求较高，适用于公司批量生产，能够提高生产效率，提高生产质量。但对于个人及实验室的小批量科研、生产来讲，成本过高，操作不便。

基于上述原因，本文设计了一款结构简单、价格低廉，适于小批量生产且操作容易的便捷式纤维增强复合材料制备过程中的拉伸装置，以解决实验室以及个人的生产需要，制备出的纤维板材强度高，韧性好且质量优。通过结构分析、有限元模拟及优化，验证拉伸装置的合理性。

1 单向拉伸装置的整体设计

1.1 拉伸装置的基本要求

本设计主要针对浸渍树脂的单向纤维拉伸装置，保证纤维材料在拉伸过程中受力均匀，提高单向纤维制品性能的稳定性、均匀性，用于固化后制备纤维板材。其具体设计要求如下：

（1）整体结构简单，加工容易，操作便捷；

（2）小型轻量化，质量小于20 kg，尺寸小于或等于250 mm×200 mm×100 mm；

（3）位移只发生在水平方向，保证垂直方向无位移；

（4）拉伸精度高，能实现拉伸宽度的调整。

1.2 拉伸材料的选取

拉伸装置的结构设计与其材料有着密切的联系。拉伸装置的材料需要在结构合理的情况下，保证较高的强度，满足设计要求。常见的高强度材料有碳钢、球墨铸铁、青铜、合金钢及铝合金等。其中碳钢脆性大不易生产，青铜材料质软易变形，合金钢价价格贵成本高，综合考虑材料属性以及价格成本问题，最终选择铝合金作为拉伸装置的材料。铝合金的具体性能参数如表1所示。

表1 铝合金材料参数

铝合金的型号不同，其材料特性也有所差异。常用的铝合金型号有7075高强度铝合金和7050高强度铝合金。这两种型号的铝合金特性基本一样，但7075高强度铝合金焊接性能较差，不易加工。因此最终选择7050高强度铝合金作为拉伸装置的首选材料。

1.3 拉伸装置的整体结构设计

根据前面所述的设计要求，最终拉伸装置的结构如图1所示，其装置主要结构包括：固定支撑板（设置有均布的螺纹孔）、拉环（带有螺纹方便与支撑板连接，前端有开口度用来缠绕纤维材料）、滑轨（四条）、下加长板（两条）、电磁感应器、摇杆、上加长板（两条）、底座（在底面上设置一个滑轨用来使拉体滑动）、可移动支撑板、拉体（下端有一个滑块，与底座滑轨相连）、显示屏。

图1 便携式纤维增强复合材料制备装置结构示意图

为使拉伸装置更加稳定，首先从制造工艺角度，要求底座滑轨表面要尽可能光滑，使其与拉体接触面的摩擦尽量小，而且装配以后不会产生左右位移，确保只在滑轨方向移动。其次从安装角度考虑，要求拉体上的四个滑轨需限制可移动支撑板在滑轨方向移动，且在左右方向没有位移。底座与地面要固定且良好接触，保证整个装置稳定的放置在水平面上，在受力的情况下不会倾斜和移动。再次，为了有效减小拉环对纤维材料的损坏和容易缠绕和取下纤维材料，拉环尾端螺纹连接保证拉环不会晃动，且在拉环外面包裹一层聚四氟乙烯软管，且保证软管与拉环相对贴合。最后，不使用本装置时，左右加长板可以收缩节省空间，使用时可以拉出来依靠拉环固定位置。此外，电磁感应器为外购原件，应精确控制它的灵敏度及测力范围，保证测力范围在纤维材料的受力临界范围内。

2 单向拉伸装置的结构设计

2.1 底座结构

底座对整个结构起支撑作用，作为主框架连接整个结构。如图2所示，其底部有一个滑轨且底面保证水平，后侧设置有带有螺纹的盲孔，以用来连接摇杆。

图2 底座结构示意图

2.2 拉体结构

拉体结构连接底座与可移动支撑板，起到支撑前半部分的拉环作用，可以与滑轨配合前后移动。上面设置一个通孔用来穿过电子测力器的导线，下底面加工精度较高，以保证光滑状态减少摩擦。下端设计为倒梯形防止导轨在竖直方向发生位移，如图3所示。

图3 拉体结构示意图

2.3 滑轨结构

四个滑轨位置固定在拉体两侧，可移动支撑板装配在四个滑轨内部，与滑轨保持相对滑动（滑轨理想情况下没有摩擦），要保证上下和左右对齐并不存在错位情况，如图4所示。

图4 滑轨结构示意图

2.4 摇杆结构

摇杆结构为施力装置，是整体结构的控制点，靠手摇来对机构施加外力，依靠螺纹传递力可精确控制力的大小，螺距为2.25 mm，总长为110 mm，手柄处加装橡胶起到防滑和防磨手的作用，如图5所示。

图5 摇杆结构示意图

2.5 固定支撑板结构

固定支撑板结构在整个结构的后半部分，有十三个螺纹孔连接后部的拉环，下端与底座连接两侧可以加装加长板，且固定不动，如图6所示。

图6 固定支撑板结构示意图

2.6 可移动支撑板

可移动支撑板结构与四个滑轨连接，前端连接电磁感应器，同时固定前部的拉环，可以前后移动。有十三个螺纹孔连接拉环，两侧可以加装加长板，如图7所示。

图7 可移动支撑板结构示意图

2.7 单向拉伸装置的安装和操作

本单向增强纤维拉伸装置安装方便，操作简单，结合图1所示装配图，可按照如下所示步骤进行安装和操作：

（1）底座固定在适宜的位置，将拉体按照设计的位置安装；

（2）将可移动支撑板和电磁感应器安装在拉体上；

（3）将增强纤维在配好的树脂液中完全浸渍，沥出多余的树脂；

（4）将步骤（3）中处理完成的纤维固定在固定支撑板最外侧的拉环上，然后依次缠绕；

（5）根据缠绕的纤维数量及纤维倾斜角度计算整个装置需要施加的载荷，对摇杆施加旋转的力，固定，然后进行预固化处理；

（6）将步骤（5）中已经预固化的纤维取下，并尽快按照设计方案进行固化，制备得到单向纤维增强复合材料。

3 刚度强度有限元分析

由于便捷式纤维增强复合材料制备装置在对复合纤维进行拉伸过程中，其组成部件同样受到拉伸应力，在此采用ANSYS进行有限元分析，以验证设计结构的正确性。该装置在使用过程中，主要受力部件为支撑板，因此在有限元仿真模拟过程中，在对装置的整体结构简化后，重点对支撑板的刚度和强度进行有限元分析。

将该装置简化后的三维模型导入ANSYS，定义材料属性。根据该装置的结构特点，分别使用壳单元和实体单元进行网格划分，以壳单元为主，根据三维模型的结构特点，采用自由划分、映射划分和扫掠划分相结合的方法进行划分。根据该装置使用过程中的运动特点，约束模型的自由度，将载荷换算为面载荷施加到受力部位，最后求解。查看并分析结果，重点查看本装置的位移及等效应力等值线图等静力分析结果。

3.1 支撑板的有限元分析

由于本装置在工作过程中，主要受力点在支撑板（其厚度为5 mm），因此对支撑板作单独的分析。对支撑板网格进行自由划分，网格数为74 669个。将支撑板的下地面中间一部分定义约束，设置为所有方向，施加0.02 MPa的载荷。网格划分图和加载后的模型如图8所示。

图8 网格划分及约束加载模型

最终的结果如图9所示，可见变形主要发生在板的下侧。由于变形量极小，最大约为0.069 mm，所以变形可以忽略；最大等效应力约为115.4 MPa。

图9 支撑板的分析结果

3.2 整体结构的仿真分析

图10 网格划分与约束加载模型

其分析结果如图11所示，由结果可知，变形主要发生在板的两侧，且变形量极小，最大变形量为0.091 328 mm，所以变形可以忽略。应力主要集中在移动支撑板上，最大等效应力为181.66 MPa。

图11 简化模型分析结果

由以上仿真分析结果可知，支撑板和整体简化模型的变形量都很小，支撑板最大变形为0.069 mm，整体模型的最大变形为0.091 328 mm，在允许范围内；本装置选用铝合金材料，其最大许用应力为505 MPa，分析结果显示，支撑板等效应力最大为115.4 MPa，整体模型等效应力最大为181.66 MPa，均小于铝合金材料的许用应力，强度能够满足需要。