復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的碳纖維路徑及連續(xù)纖維的均布

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的主要承載材料為纖維，纖維方向的可設(shè)計(jì)性是其特點(diǎn)之一。迄今為止，對預(yù)浸料鋪疊成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的纖維方向的定義都很籠統(tǒng)，一般只是規(guī)定了結(jié)構(gòu)中某一點(diǎn)的纖維方向，其余纖維并行鋪放（圖1）。本課題基于對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中某一組合單元在指定方向上應(yīng)具有最大承載能力的要求，提出了纖維路徑的概念，并由每層纖維并行排列、連續(xù)纖維均布性、纖維面密度值固定的規(guī)定，引申出每層纖維的連續(xù)性和連續(xù)纖維均布性指標(biāo)，提出了最大鋪疊寬度和最小鋪疊寬度的工藝參數(shù)，并針對一些典型曲面的纖維路徑提出了鋪疊工藝的實(shí)施方法。



復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的纖維路徑

1　纖維路徑的定義

飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要功能是傳載和承載，由纖維和樹脂組成?；诖?，以0°為例，飛行器結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的纖維路徑可定義為：某一層某一根的纖維路徑都應(yīng)與這一層的主應(yīng)力一致。

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在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，纖維是主要承載材料，纖維只有在張緊狀態(tài)下才能承受最大載荷。纖維張緊時(shí)，其路徑是曲面上最短的，而曲面上最短的距離一定是測地線。因此，對于圖2中結(jié)構(gòu)的某一層而言，以0°為例，結(jié)構(gòu)的2 邊受到載荷時(shí)，這一層的每根纖維只有按照測地線分布和排列時(shí)，才能使得纖維繃緊并承受最大載荷，即與此點(diǎn)主應(yīng)力一致（圖3）。



2　纖維面密度為定值時(shí)的纖維路徑

1.1　纖維路徑的定義

鋪覆型面上的某一層纖維時(shí)，采用的是纖維面密度為定值、各束纖維并行排列并有一定寬度的預(yù)浸料或簾子布，這里不考慮預(yù)浸料中并行纖維之間不能滑移的問題，即并行纖維之間可滑移。每層纖維的面密度為定值，所以有一定寬度的連續(xù)纖維在曲面上的排列為主應(yīng)力方向時(shí)，某些區(qū)域?qū)⒂锌p隙存在，這一區(qū)域只能由斷纖維填充，并在此區(qū)域做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)。

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曲面上復(fù)合材料的某一層的纖維面密度為定值時(shí)纖維的路徑定義如下：先確定曲面上各個(gè)區(qū)域的連續(xù)纖維的寬度，此寬度必須近似可展，按此寬度的位置在各個(gè)對應(yīng)區(qū)域上做測地線，這些測地線即為這些連續(xù)纖維的路徑，斷纖維方向應(yīng)盡量與連續(xù)纖維路徑一致。

1.2　 纖維之間不能滑移時(shí)纖維路徑的定義

曲面上復(fù)合材料的某一層的纖維面密度為定值且預(yù)浸料中的并行纖維之間不能滑移時(shí)，纖維的路徑定義如下：先確定曲面上各個(gè)區(qū)域的連續(xù)纖維的寬度，且此寬度必須近似可展，按此寬度的位置在各個(gè)對應(yīng)區(qū)域上做測地線，這些測地線即為這些連續(xù)纖維的路徑，斷纖維方向應(yīng)盡量與連續(xù)纖維路徑一致。

由于纖維是有最小帶寬的物質(zhì)，在不交疊的情況下不可能完全按照理想的纖維路徑鋪放，在路徑密集的地方就需要進(jìn)行處理。如果零件厚度不增加，纖維通過這一截面的根數(shù)是一定的，由于截面面積的改變，所以這種處理只有是切斷纖維。 123,123

這樣，根據(jù)前面2 種定義，纖維在通過這一截面時(shí)可保證連續(xù)纖維數(shù)量的最大值。

（1）纖維路徑的偏差。

選定各個(gè)區(qū)域連續(xù)纖維的寬度對纖維方向的一致性具有影響，寬度越大，與對應(yīng)測地線的偏離就越大，表明纖維方向的一致性差。實(shí)際上纖維寬度為1 束纖維時(shí)，此偏差最小。

（2）各個(gè)鋪層連續(xù)纖維均布性。

同理，選定各個(gè)區(qū)域連續(xù)纖維的寬度對纖維連續(xù)性和斷纖維的均布性也有影響，此寬度纖維方向的偏離自然會(huì)影響到連續(xù)纖維的量，與纖維之間能滑移情況的連續(xù)纖維量偏差大，表明纖維連續(xù)性差，斷纖維的均布性也差；反之，表明纖維連續(xù)性好，斷纖維的均布性也好。當(dāng)為1 束纖維時(shí)，此偏差最小。

（3）纖維的最小展開寬度。

纖維面密度為定值時(shí)，纖維的最小展開寬度為1 束纖維的寬度。顯然，在此寬度下不用考慮纖維之間的滑移，這也是將纖維的最高效率充分發(fā)揮出來的寬度，由于手工鋪覆這一寬度的效率太低，質(zhì)量一致性也很難保證，因此發(fā)明了鋪絲機(jī)。 123,123

纖維鋪放的實(shí)際情況

鋪疊所用材料為預(yù)浸料，由于纖維具有帶寬，不能完全按照理想的纖維路徑（圖4）進(jìn)行鋪放，因此按照理想路線進(jìn)行最近似的處理。將鋪層分成條狀鋪疊，2 條邊界都為理想的纖維路徑，但是這條狀鋪層纖維路徑按照某條邊界完全連續(xù)，斷纖維的端頭將集中分布于另一條邊界上（圖5）。這樣1 個(gè)鋪層中是由若干條這樣的條狀鋪層拼接而成，斷纖維和連續(xù)纖維將在鋪層中交替鋪放（圖6 和圖7）。



根據(jù)籠統(tǒng)的定義，明顯斷纖維集中分布于零件的兩側(cè)?？梢允箶嗬w維和連續(xù)纖維在鋪層中交替，并且可以控制這種交替的頻率使斷纖維和連續(xù)纖維趨于均勻。

條狀鋪層的裁剪 copyright 123456

條狀鋪層的寬度要根據(jù)零件的外形制定，其根本宗旨是保證鋪層中纖維連續(xù)和均勻，并且使得操作最方便。

（1）確定鋪層帶寬。

帶寬的選擇要滿足：

·小于鋪疊最大帶寬；

·整個(gè)條狀鋪層能按規(guī)定路徑全

部貼敷于鋪疊曲面上；

·適合鋪疊。

（2）條狀鋪層的邊界選取。

·在最小截面線上取一點(diǎn)，然后根據(jù)確定的帶寬取點(diǎn)，直至截面線的邊界；

·過這些點(diǎn)，以受力方向?yàn)橐龑?dǎo)方向，以零件的鋪疊面為支持面，做測地線；

·根據(jù)這些線在鋪疊面上分割鋪層；

·將這些分割后的鋪層展開成平面，所得形狀即為所需條狀鋪層的外形；

·在厚度方向上，每層上的拼接線都盡量錯(cuò)開一定距離，不要在沿厚度方向上重合（圖8）。 內(nèi)容來自123456



3）45°和90°的纖維路徑。

45 °的理想纖維路徑是45 °應(yīng)力方向，90 °的理想纖維路徑是90°應(yīng)力方向。

新方法的意義

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中承載纖維的關(guān)鍵是要連續(xù)和繃緊。有一種曲面鋪疊方法是將等高線做為基準(zhǔn)，其具體做法是用一組平行的平面去切割曲面，將交線做為鋪層的基準(zhǔn)方向并且作為小鋪層的拼接線。這種方法對于平面是正確的，但是對于曲面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題，在鋪疊并排的小鋪層時(shí)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則形狀，在預(yù)浸料的邊緣出現(xiàn)大量的斷纖維，有的地方甚至所有的纖維都是斷的，這種現(xiàn)象會(huì)隨曲率的變化而加劇。顯然，斷了的纖維不能傳遞載荷，只有在垂直于切割平面的附近的纖維是連續(xù)的，這種方法不合理（圖9、圖10）。 本文來自123



此方法并沒有增加連續(xù)纖維的數(shù)量，由于對于一層來說厚度不能增加，所以這個(gè)曲面的最小截面決定了其連續(xù)纖維的數(shù)量。但是增加的是繃緊的連續(xù)纖維的數(shù)量，理想的情況是所有連續(xù)的纖維都繃緊。如果某處曲率變化較大，則需要采取相應(yīng)的措施。

同時(shí)此方法利用現(xiàn)有的設(shè)備，路徑的細(xì)化、預(yù)浸料的切割、鋪疊中的定位都可以解決，而且鋪層鋪疊時(shí)變形小、容易鋪疊，這樣在工程化生產(chǎn)中其質(zhì)量一致性完全可以保證，如果將此方法進(jìn)一步推廣，采用自動(dòng)鋪疊設(shè)備完成則更加合理。

結(jié)束語

按照上述新方法可以部分解決雙曲面的纖維路徑和鋪疊之間的關(guān)系，尤其是機(jī)身和整體結(jié)構(gòu)。

單位：北京航空制造工程研究所 作者：薛向晨　梁憲珠　常海峰　張西偉