铺层编织混杂结构复合材料横把管的制备及力学性能研究 74页

独创性声明本人声明所呈交的学位沦文是本人在导卿指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞望王些塞堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：乃小晖签字Fl期：p’午年3月多同学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞注王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：豸‘)、菲签字同期：≯I￡卜年；月>El导师签名：岬／枷J签字同期：沙叶年≥月岁El 学位论文的主要创新点一、将预浸料铺层和二维编织结构结合起来，制备了铺层／编织混杂结构的复合材料横把管。二、采用矽胶制作复合材料横把管的芯模，对矽胶进行正确切割，实现了具有变截面的横把管芯模包缠碳纤维后的完全抽出。 摘要本课题中，对于内腔大两端小的自行车横把管结构，采用矽胶制作复合材料横把管的芯模，对矽胶进行正确切割，实现了横把管芯模包缠碳纤维后的完全抽出。将真空灌注成型和气囊成型相结合，制备了一系列具有不同编织层数、编织角度和碳／玻璃纤维混杂比的铺层／编织结构混合的复合材料横把管。通过对复合材料横把管的三点弯曲实验和疲劳试验，研究分析了编织层数、编织角度及玻璃纤维含量对复合材料横把管弯曲性能和疲劳性能的影响。得出以下结论：(1)在相同的纤维体积含量下，编织层数越多，碳纤维复合材料横把管具有越小的弯曲强度和弯曲模量；编织角对碳纤维复合材料横把管的弯曲性能具有较大的影响，复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量都随编织角的降低而增加；对于碳／玻璃纤维混杂的复合材料横把管，在实验研究范围内，随玻璃纤维含量的增加，混杂复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量比碳纤维复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量降低。(2)经过12万次疲劳加载后，复合材料横把管样品均没有出现破坏现象，达到了碳纤维自行车的欧盟测试标准。疲劳测试时，编织层数越多，复合材料横把管两端上下摆动的振幅越大：在相同的成型结构下，随编织角的增大，复合材料横把管两端上下摆动的振幅也逐渐增大；碳／玻璃纤维混杂比对复合材料横把管上下摆动振幅具有较大影响，玻璃纤维含量增加，横把管两端上下摆动振幅越大。(3)与疲劳测试前横把管的静态弯曲测试相比，疲劳测试后复合材料横把管的弯曲强度均有不同程度的降低。除L2仍5．45和L2／B5．60样品外，疲劳测试后复合材料横把管的弯曲模量均降低。(4)疲劳测试前复合材料横把管试样的弯曲断口比较平整，没有出现明显的纤维束和纤维拔出现象，具有脆性断裂特征。疲劳后弯曲试样的断口存在纤维拔出现象，能够看到拔出纤维留下的孔洞，但其拔出纤维较少，其破坏模式仍是主要以纤维断裂及分层为主。关键词：复合材料横把管；铺层／编织；编织角；混杂；弯曲性能；疲劳性能 ABSTRACTInthisstudy,forthebicyclehandlebarwithbiglumenandsmallendss眦疵，thisresearchusedsiliconrubbertomakethecoremandrelofcompositehandlebar，andtomakethecoremandrelcutcorrectly，whichrealizedthecoremandrelpulledoutcompletelyafterwrappedthecarbonfiber．Combiningvacuuminfusionmoldingandairbagmolding，aseriesofhandlebarwithdifferentbraidinglayers，differentbraidingangleanddifferentcarbon／glassfiberhybridratiowerepreparedsuccessfully．111ehandlebarsweretestedbythethreepointbendingandfatiguetest，whichresearchedtheeffectofdifferentbraidinglayers，braidingangleandglassfibercontentonthebendingandfatigueperformanceofhandlebars．Theconclusionswereasfollows：(1)Withthesamefibervolumefraction，thebendingstrengthandbendingmodulusreduce谢mtheincreaseofbraidinglayers；Besides，braidinganglehasanimportantinfluenceonthebendingpropertiesofcarbonfibercompositeshandlebar，thebendingstrengthandbendingmodulusincreasewiththereduceofbraidingangle；Forcarbon／glassfiberhybridcompositeshandlebar，withinthescopeoftheexperimentalresearch，Wimthecontentofglassfiberincreasing，boththebendingstrengthandbendingmodulusarereduced．(2)111ecompositehandlebardidnothaveanobviousdamageafter120000timesoffatigueloading，whichuptothecarbonfiberbicycleEUtestingstandard．Whenfatiguetest，themorebraidinglayers，thegreatertheamplitudeofthebothendsofthehandlebar；、砘t11thesameformingstrucnlre．theamplitudeofthebothendsofthehandlebarincreasewimtheincreaseofbraidingangle；TheCarbon／glassfiberhybridratioinfluencestheamplitudeofthebothendsofthehandlebaralot．、析mthecontentofglassfiberincreasing，theamplitudeofthebothendsofthehandlebarisincreased．(3)Comparedtothestaticbendingbeforefatiguetest，thebendingstrengthofhandlebarallwerelowertocertaindegreeafterfatiguetest．InadditiontotheL2／B5—45andL2m5—60samples，thebendingmodulusofthecompositehandlebarisreducedafterfatiguetest．(4)Beforefatiguetests，thebendingfracturesurfaceofcompositehandlebarsampleissmoothandhasthecharacteristicsofbrittlefracture，thefiberbundlesandfiberdidnotbeenpulloutobviously．However，thefiberbundlesandfiberCallbesee pulloutformthefracturesurfaceafterfatigue，theholesleftbyfibercallbeseenandthefiberoutless．Themainfailureofthecompositehandlebarspecimentendstobefiberfractureanddelaminationfailuremode．Keywords：Compositehandlebar；Layer／braiding；Braidingangle；Hybridratio；Bendingproperties；Fatigueproperties 目录第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2复合材料管的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．1国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．2国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．3复合材料芯模材料的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51．3．1金属芯模材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．3．2水溶性芯模材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．3．3膨胀橡胶芯模材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．4编织复合材料的研究及应用进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81．5目前存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91．6本课题的研究内容、目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91．6。1课题研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯91．6．2研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10第二章二维编织机的改进及编织参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．1二维编织机的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．2管状编织物的结构分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．3二维编织机的改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152．3．1改进前二维编织机的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．152．3．2二维编织机的改进原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．152．4二维编织参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182．4．1编织角⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．182．4．2纱线覆盖系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．192．4．3纤维体积含量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．202．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21第三章变截面复合材料横把管的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．1实验材料的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2碳纤维复合材料横把管芯模的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253．2。1复合材料横把管芯模的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．2．2矽胶芯模的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．263．3碳纤维复合材料横把管的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273．3．1碳纤维复合材料横把管的编织工艺设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．28 3．3．2复合成型工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．293．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334。l弯曲性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．1．1测试标准与实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．334．1．2弯曲夹具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．334．1．3弯曲实验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．2疲劳测试性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384．2．1测试标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．384．2．2实验仪器与实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．2．3实验结果与对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．404．3疲劳测试后弯曲性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯484．3．1不同铺层／编织层数比的横把管疲劳后弯曲性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯494．3．2不同编织角的横把管疲劳后的弯曲性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．504．3．3不同碳／玻璃纤维混杂比的横把管疲劳后弯曲性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯524．4弯曲试件断口形貌的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯544．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56第五章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯575．1本课题的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯575．2本课题的工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．59发表论文和参加科研情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．65致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67 第一章绪论1．1研究背景复合材料是由两种或两种以上种不同性质组分构成的材料，各个组成部分的物理性质及化学性质一般是不同的，在经过复合作用后的新材料的性质与各组分的性质也明显不同【14】。复合材料一般包括基体和增强体。基体又分为非金属基体和金属基体。非金属基体主要有合成树脂、石墨、碳、橡胶、陶瓷；金属基体主要包括铝、镁、铜和它们的合金，以及各种钢材；增强材料主要有碳化硅纤维、晶须、石棉纤维、金属丝及硬质细粒等无机纤维和玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等有机纤维【5卅。纤维增强树脂基复合材料材料在复合材料中用量最大、应用最广，其性能主要具有以下特点17‘1UJ：(1)复合材料具有很高的比强度、比模量通常复合材料的密度较小、强度很高，所以它的比强度、比模量相对其他材料要高的多。通过不断优化纤维增强复合材料的性能和不断改进复合材料的成型工艺，可以使复合材料的性能得到很大的提升。在某些对设备性能要求极高的领域，比如航空航天和交通运输等领域，复合材料具有不可替代的优势与广阔的应用前景。(2)复合材料的各向异性性能复合材料在弹性常数、强度及热膨胀系数等方面明显具有各向异性的性能，这就使得复合材料的力学行为非常复杂，这为研究复合材料的特性造成了很大的困难，至今仍没有一个公认的理论能够完美地描述复合材料的力学行为。但在工程设计上利用好了复合材料各向异性这一特点，就可以很好的改善复合材料制件的性能。(3)复合材料的耐疲劳性能好应用过程中金属材料很容易发生疲劳失效，并且发生疲劳失效之前基本很难察觉出明显的征兆。而纤维复合材料是由多相组分构成，如果发生疲劳，组分界面处能有效的阻挡裂纹的扩展，这就极大地降低了裂纹的扩展速度，并且复合材料在疲劳失效之前能观察到明显的征兆。(4)复合材料材料的减振性能好复合材料的比模量很高，所以它的自振频率也相对较高，通常状况下很难发生共振现象。复合材料各个组分间的界面可以很好地吸收和反射振动，能够极快 天津工业大学硕士学位论文地减缓振动的影响。(5)复合材料具有很强的可设计性通过设计复合材料各组分的相对含量、种类、纤维铺设方式等，可以很好地改善复合材料的性能，所以复合材料具有很好的可设计性。这个特点对实际工程具有极高的经济性和很好的可操作性。此外，复合材料具有良好的结构形状稳定性、良好的高温性能、适用温度范围广、良好的抗冲击性能、良好的耐化学性能等。碳纤维复合材料的以上优势，使其广泛的应用于各个领域。复合材料管以其轻质高强、结构稳定性好而在工程结构中有着广泛的应用，如化工管道、自来水管、污水管、输油管、电线杆以及各种航天部件等【11‘121。复合材料圆管是一种受力型式合理的结构元件，不仅适用于需要圆管形状的构件，同时对受压杆和承弯曲是有利的，如在主要以圆管构成的碳纤维自行车【13】、帐篷及传动杆等这些杆件结构中，复合材料圆管的承载能力和使用寿命就显得尤为重要，因此对复合材料管的力学性能的研究无疑具有重要的理论意义和工程应用价值”"j。1．2复合材料管的国内外研究现状1．2．1国内研究现状目前，对于复合材料管的研究很多。常用的复合材料圆管的制备方法有铺层、缠绕以及编织等【16‘17J。铺层复合材料管横向剪切强度较弱，面外性能及损伤容限低；此外铺层难以自动化，制造成本较剐18】；缠绕复合材料管的主要特点是纤维能保持连续完整，可根据制件力学性能要求配置增强材料，结构效率高，制品强度高，可连续化机械化生产，生产周期短：但缠绕设备复杂，技术难度高，工艺质量不易控制且在缠绕复合材料中裂缝易于沿交织点进行传播，适用于尺寸较大的构件【19J；与缠绕复合材料相比，编织复合材料具有较高的韧性和抗疲劳强度且纱线的交织点起到了阻止裂缝传播的作用，自动化程度高。另外，编织技术能够根据所需要制造的产品的形状和尺寸进行仿形编织，直接编织成与所需产品外形相近的各种管道。在管状预制件成型方面，与其他纺织技术相比，采用编织方式制成的管状预制件具有弹性好，厚度适宜，表面结构平整，孔隙率高等特点【201。国内的学者对复合材料管的结构设计、静力学特性，动力学特性等方面做了研究。冼杏娟12lJ研究了高模量正交玻璃布复合材料圆管的拉伸、压缩、和弯曲性能，在弯曲实验中采用了在支点处加一倒角的半圆环作为压头和支座的过渡装 第一章绪论置，从而避免了各种应力集中破坏的出现。吴玲伟【冽对碳纤维与玻璃纤维环氧树脂复合材料，具有00、士450层间混杂铺层的薄壁圆筒在弯．扭作用下的力学特性进行了实验研究。杜刚【23】等研究了复合材料圆管端部加缠碳纤维对其轴压性能的影响，该圆管采用热膨胀软膜成型工艺制成，发现在轴压载荷作用下，端部加强能减小圆管的径向变形，并能更好地传递载荷，对提高复合材料圆管的压缩性能有利。另外，在圆管端部加强后进行轴压测试，其圆管破坏模式和破坏位置都发生了改变。针对任意壁厚的复合材料圆管构件的等效弹性模量和剪切模量，文献刚24J提出了高阶理论计算方法，考虑了构件的横向剪切效应以及层合材料的三维本构关系，并在相同壁厚条件下对几种缠绕方式的等效模量进行了预测，并且与经典层合板理论的预测结果进行了比较，结果表明该方法可用于复合材料杆件结构的设计中。张亮泉【25】等通过相同铺层方式、不同尺寸下CFRP圆管的拉伸和压缩试验，着重研究了CFRP圆管在这两种受力状态下直至破坏的应力．应变关系，极限强度以及材料宏观破坏模式，并采用有限元分析软件ABAQUS对圆管在两种状态下直至破坏的应力．应变关系进行了数值模拟。实验结果表明：铺层方式为【(900／00)2】s的CFRP圆管抗拉极限强度和应变远大于其抗压极限强度和应变，但这两种状态下CFRP圆管的弹性模量大致相当，且破坏模式均为脆性破坏，并将计算结果与试验结果进行比较，验证了实验结果的可靠性。倪爱清【26J等基于Hoffman复合材料失效准则，研究了缠绕角对两端封闭的纤维缠绕复合材料内压管道(环向／轴向应力比为2：1)强度的影响。研究结果表明，改变纤维的缠绕角，复合材料内压管的强度变化显著，若缠绕角设计不合理，则成本将明显增加。此外，对碳纤维／环氧、玻璃纤维／环氧、硼纤维／环氧复合材料而言，内压管最佳的缠绕角位于450"550的范围内。如果偏离该范围将会使管材失效的可能性大大提高。分析还表明，对于该类内压管材，其失效主要取决于垂直于纤维方向的强度和应力，因而可以对Hoffman准则进行简化。张平127l等研究了二维三向编织复合材料圆管的轴向准静态压缩性能，分析了编织复合材料圆管的压缩破坏机理和吸能特性，并探讨了编织参数对吸能特性的影响。实验结果证明：在纤维体积分数相同的情况下，随着编织层数的增加和编织角的减小，圆管的吸能能力有所提高。二维三向编织复合材料圆管是一种较好的吸能材料，具有较高的单位质量吸能特性。益小苏【28】研究了三向编织复合材料圆管的吸能特性，比较了两种炭纤维(T300和T700)作为增强相时的凰值，发现前者较后者提高8．1％。隋纹龙129J等选用丙纶和涤纶单丝运用二维编织技术制备了人工气管支架，通过对编织工艺参数的设计和调整，编织出具有不同参数规格的人工气管支架样品，以定性研究编织机的齿轮比、纤维弯曲刚度和编织高 天津工业大学硕士学位论文度这几种编织工艺参数对管道径向压缩性能和孔径大小的影响。并对丙纶和涤纶单丝的降解性进行了研究。1．2．2国外研究现状国外很早就开始了对复合材料管的研究。Soden[30】等研究了在相同的轴向加载条件下缠绕角度(土450、+550、+750)对玻璃纤维复合材料圆管强度的影响。在这项研究中，E．玻璃纤维增强环氧树脂复合材料圆管在不同的内压条件、轴向拉伸和压缩条件下进行测试。在测试中裂缝和断裂现象形成。实验结果表明缠绕角越大，环向拉伸强度越大；缠绕角越小，轴向拉伸强度越小。RosenowplJ研究了缠绕角度从150N850变化的复合材料圆管的应力应变性能。研究中采用了古典层合板理论预测了具有不同变化角度的圆管的性能，并将其和实验结果进行了对比。结果发现550缠绕角时圆管具有最优的性能，此时圆管的环向和轴向的应力比为2：1，若不考虑轴向加载时，圆管的最优角度为750。PuneetSaggar[32】研究了层合复合材料圆管的弯曲性能，复合材料圆管的弯曲刚度通过四点弯曲测得，在这项研究中，复合材料圆管的直径、铺层顺序和铺层角度也被进行了研究。此外对圆管的失效过程进行了分析，结果表明失效过程依赖于圆管的铺层角度和铺层顺序，圆管的破坏最终为压缩破坏，纤维断裂和分层也是主要的破坏模式。Willi锄JenningsBriersIII[33J设计并分析了耐高压的钢／复合材料混杂圆管，旨在研究一种能够使钢管承受高压的复合材料圆管，通过有限元分析软件对这种混杂结构钢管进行了设计和分析，分析的结果被用于验证一个原件的实际尺寸，结果表明样品被成功的进行测试并超过了圆管的最大设计压力。P．Potlurip4】研究了具有不同编织层数和编织角的双轴和三轴编织复合材料圆管的弯曲和扭转性能，并建立了理论方法且将其和实验结果进行了对比。JitendraS．Tate【35】研究了不同编织角(250、300和450)对二维编织复合材料力学性能和疲劳性能的影响。发现随着编织角增加，材料的拉伸强度、模量和泊松比明显降低，编织角为250$I]300的材料的疲劳性能低于编织角为450的材料。WemerHufenbacht36】研究了玻璃纤维复合材料圆管的制备工艺及多轴测试方法，将编织成型工艺和缠绕成型工艺相结合，详细的描述了此种成型工艺的具体制备过程和注意事项，并指出这种成型工艺避免了复合材料圆管边界和切削加工的影响。C．H．Chiup7】研究了六种二维三轴混杂编织复合材料圆管的压缩失效模式和能量吸收能力。在这项研究中，具有不同碳／芳纶纤维混杂方式的复合材料被进行轴压测试，实验结果表明不同纤维混杂方式的圆管具有不同的压缩破坏模式，碳纤维复合材料圆管具有最高的能量吸收能力，而纯芳纶纤维复合材料圆管具有 第一章绪论最小的能量吸收能力。复合材料芯模材料的研究现状近年来，随着复合材料的高速发展，不仅结构要求轻量化，而且结构形式也日益复杂。用高性能的碳纤维复合材料代替传统的金属材料是解决结构轻量化的有效技术途径。然而在复合材料的制备过程中，芯模是不可缺少的成型工具。目前复合材料生产中采用的芯模材料已有多种，常用的芯模材料主要包括：钢模、铝模等金属模具、水溶性芯模材料和硅橡胶芯模等。复合材料及其制件的芯模材料主要根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定。1．3．1金属芯模材料对于等径或者有拔模斜度的复合材料圆管，在成型过程中常用的芯模材料主要是钢模、铝模等金属模具【3引。金属材料有高的热导率和良好的刚度，而且金属材料可以加工出良好的表面粗糙度，这样制造出的复合材料也具有良好的表面光洁度。盛磊等【391研究了碳纤维复合材料锥管的扭转刚度的实验测定，在研究中采用了金属芯模进行锥管的制备。但是金属材料作为模具材料也存在一定的缺点，对于大尺寸构件而言，金属模具重量太大，难以操作，此外，加工一件大型金属模具要求的条件太高，耗时长而且造价也高，特别是对于一些封闭型腔、复杂型腔、中空结构、出口小内腔大或者不允许有拔模斜度的制件，如采用金属模具往往需要多块组合而成，不但设计复杂、制造费用高、周期长，而且脱模困难【401。另外，对于薄壁空壳的复合材料结构件，使用金属模具制造成型后，脱模异常困难甚至无法脱模，即使有些能强行脱模，也通常会使结构件产生较大的残余应力，甚至致使有些结构件破坏。1．3．2水溶性芯模材料基于金属模具在复杂异型复合材料结构件制造中的局限性以及复合材料在各领域应用中日趋广泛化和复杂化，因此需要对另外的新型模具进行研究。水溶性芯模材料是指用水溶性胶粘剂将一些固体填料粘接在一起，并根据使用要求制成具有一定形状的，在使用温度范围内仍有一定力学性能并可保持原有形状，在脱模时使用水等溶剂使其溃散，然后获得产品的一种模具材料【4lj。由于水溶性胶粘剂具有无毒无害、不刺激皮肤，受热分解时不释放有害气体，混入砂中能均匀地包裹在砂粒表面，粘附力强、粘结强度高、用量少、易成型、易溃散等优点，所以较广泛应用在各种高标准严要求的铸造和复合材料制造工业中【42。431。用水 天津工业大学硕士学位论文溶性芯模制备的结构件主要有以下三方面的特点：(1)与采用传统金属模具成型的工艺方案相比，水溶性芯模为单一整体结构，不需要多块模具组合而成，有效的减少了装配问题，使制造过程操作方便，成型工艺步骤简单；(2)产品固化完成后用常温自来水即可将芯模水溶溃散从而完成脱模过程，解决了采用传统金属模具成型脱模难的技术难题。(3)采用阴阳模结合的方式，用模压成型的技术完成结构件的成型，其尺寸能够得到有效保证，并且结构件的质量能够满足设计要求。如图1．1所示，Raidyanathan[删等人制备出了水溶性芯模材料，并在航空帽型材上得到了验证。仝建峰【45】等采用水溶性芯模制备出了整体化中空复合材料结构(图1．2)。张芳M6】等对水溶性芯模的制备工艺特点和性能进行了研究，并将所制得的水溶性芯模成功的用于树脂基复合材料罩型结构件中，如图1．3所示。结果表明，水溶性芯模的各项性能满足复杂异型复合材料结构件制造的要求。图1．1帽型材构件水溶性芯模和复合材料制品图1．2整体化中空复合材料结构图1．3罩形结构件复合材料产品1．3．3膨胀橡胶芯模材料膨胀橡胶因其具有优良的热稳定、较高热膨胀系数、良好的耐久性及成模方便等优点受到了先进复合材料制备工艺人员的关注，并利用橡胶模具相继制备出了具有较高质量的先进复合材料结构【471。硅胶芯模多用于热膨胀模塑法中，热 第一章绪论膨胀模塑法是七十年代中期发展起来的一种新型的复合材料固化成型方法，它是以热膨胀材料为芯模，刚性材料为阴模，复合材料置于芯模与阴模之间，当模具受热后，由于芯模的体积膨胀受到复合材料预成型体及阴模的限制而产生巨大的均匀压力，从而实现在加热固化过程中对复合材料预成型体施压，其中热膨胀材料一般为有机硅橡胶、聚甲基丙烯酰亚胺等[4引。硅橡胶是有机硅聚合物中的重要产品之一，具有在很宽的温度范围内长时间保持弹性的特性，因此作为热膨胀芯模材料研究较成熟且应用较广的是有机硅橡胶。但所用的硅橡胶种类、预浸料的状态、纤维的排列方向及其铺层设计将影响芯模的膨胀能力，因此内壁尺寸精度控制比较差。必须经过多次的试验摸索，才能找到比较理想的工艺参数。但该工艺方法也有自身的优点，它不需外部压力源，加热设备采用电热烘箱即可，因此设备投资少，制品制造成本低，曾被各国复合材料行业所重视。尹昌平等[491研究设计了一个具有典型内部复杂结构的构件，初步浇注成型了硅橡胶软模(图1-4所示)，并用软模辅助RTM成型了碳纤维P环氧复合材料构件，软模外形完整、尺寸准确，而且利用软模自身柔软的特点解决了内部复杂构件的一次整体成型困难的问题，制备出了外形完整的复合材料构件，所制备的软模经数次高温、高压使用后，压缩变形很小，性能无明显下降。杜刚等【50J学者分别提出气囊辅助橡胶模具以改进RTM工艺，该工艺克服了RTM制品纤维体积分数较低的缺点，这一工艺在复合材料管、复合材料裙段、复合材料推力筒等结构件的制备中得到了验证。此外，魏金山【5l】利用橡胶膨胀模塑工艺试制了高精度雷达天线测量杆。罗辑【52】采用硅橡胶热膨胀工艺制备了碳纤维／双马树脂复合材料圆管，考察了不同厚度硅橡胶芯模对成型过程温度分布及预浸料铺层内部树脂压力的影响，并分析了圆管的成型质量。结果表明：硅橡胶芯模的厚度对温度分布影响较大，厚度为5mm时，温度分布比较均匀；铺层内的树脂压力能够达到设计压力，但不同位置的加压点和压力大小不同；所制备的碳纤维／双马树脂复合材料圆管表面质量良好，内部没有明显缺陷，且厚度均匀，证明了所设计模具方案的合理性。康中志等【53】采用硅橡胶制备软模，利用其柔韧性解决常规模具无法一次成型的问题。并通过软模／真空灌注工艺制备了带内翻法兰半球(图1．5)，以验证其工艺可行性。 天津工业大学硕士学位论文图1．4构件的硅橡胶软膜图1．5带内翻法兰半球构件1．4编织复合材料的研究及应用进展编织是一门古老的纺织技术。编织物与机织物、针织物、无纺布并举被人们称为四大织物。近二、三十年来，人们为了研究改善复合材料的抗冲击损伤特性等问题，将编织这古老的技术与现代复合材料成型技术有机地融于一体，形成了一种独特的编织结构复合材料【54-561。进入60年代后，人们开始认识到，编织结构复合材料由于纤维与纤维之间形成整体结构，显示出了较强的整体性，其在剪切强度、抗冲击损伤特性等性能方面均优于传统的层合复合材料。因此研究开发编织结构复合材料日益引起人们的重视阿591。70年代以来，由于编织机械相继问世，编织结构复合材料得到较快的发展。进入80年代，编织技术由二维发展到三维。目前，国内也己自行设计制造出各种大型的编织机，国内外已把编织结构复合材料广泛应用到航空航天、交通运输、电子工业、石油化工、武器装备、体育器材及医疗器械诸多领域【60卅】。编织结构复合材料的性能主要具有以下特占[62-63]．，¨、●(1)与纤维缠绕复合材料相比，编织复合材料具有较高的韧性和抗疲劳强度。(2)机织物只有正交结构，而编织物的编织角可以在10。～85。间进行大范围调节，另外可在二维编织过程中引入轴纱，从而形成三轴向编织成型，三轴编织成型更加稳定且具有更好的各项同性性能。(3)编织可以生产无缝钢管和带布边的平幅织物。由于纤维的连续性，编织复合材料预制件具有更高的强度和裂纹阻力。(4)由于纤维的连续性，含有编织形成孔洞的复合材料的强度是含有钻孔复合材料强度的1．8倍。(5)在编织结构中，由于纤维连续的从一部分到另一部分，可以方便的实 第一章绪论现预制件的分支和连接。通常，在预制件中接头是最薄弱的地方。(6)一般的编织成型预制件尺寸相对较小。若想增加编织预制件尺寸可适当的增加携纱器的数量。(7)编织过程可与拉挤成型相结合，可制造出各种各样的拉挤结构件。1．5目前存在的问题多年来，许多学者对等直径编织复合材料管的设计和性能进行了广泛的研究，提出了各种制备方法和研究方法，这也为本课题的研究提供了很好的借鉴和参考价值。但这些学者对具有变截面的复合材料编织管的研究却不多。由于传统编织机存在的缺陷，采用二维编织制备变截面复合材料圆管仍具有一定的难度。基于编织复合材料具有较好的整体性和抗剪切强度、抗冲击损伤特性，变截面复合材料管也广泛地应用于航空航天及民用方面，因此有必要对其制备方法及力学性能进行研究。1．6本课题的研究内容、目的和意义1．6．1课题研究内容为了适应工程结构应用的要求，本课题基于碳纤维复合材料自行车横把管这种特定的变截面管，对变截面复合材料横把管的结构设计、制备方法、力学性能试验等方面的进行了研究。主要研究内容及方法为：1．将锭速恒定的二维编织机进行改进，使编织机实现锭速的随时可调性，通过工艺参数设计，实现具有变截面的复合材料横把管的织造。2．利用空心成型技术，采用矽胶制作变截面复合材料横把管的芯模，对矽胶进行正确切割，以实现芯模包缠碳纤维后的完全抽出。3．通过实验研究，在横把管铺层结构预制件的外面进行二维编织，制备一系列不同编织层数、不同编织角度和不同碳／玻璃纤维混杂的铺层／编织混合结构的复合材料横把管。4．通过实验测试得到混杂横把管结构与力学性能的关系。将编织／铺层混合结构复合材料横把管和纯铺层结构横把管的力学性能进行对比，掌握复合材料横把管在不同成型工艺下的性能差异。 天津工业大学硕士学位论文1．6．2研究目的和意义编织结构复合材料己广泛应用到航空航天、交通运输、电子工业、体育器材及医疗器械等诸多领域。对于一般的等直径圆管采用普通的二维圆型编织机即可达到相应技术要求，但对于如自行车横把管这样沿制件的长度方向横截面尺寸逐渐变化的二维编织预制件来说，采用普通的二维圆型编织机进行编织时还存在一些缺陷。通过设计横把管的织造工艺可以得到具有不同编织结构的复合材料横把管。实现了在二维编织机上织造具有变截面预制件的可能性。在铺层横把管的外面进行外层编织，将铺层／编织结构结合起来制作复合材料横把管，然后将其与铺层结构横把管力学性能进行对比，掌握复合材料横把管在不同成型工艺下的性能差异，为复合材料横把管及其他复合材料制件的设计提供了一定的依据，可以更好地了解编织结构复合材料的性能特点及应用范围以及存在的问题。 第二章二维编织机的改进及编织参数分析二维编织历史悠久，在18世纪德国和法国就可以制造二维编织机。二维编织机一般被用来生产绳、带、管等织物，随着复合材料的推广应用，二维编织物也被用作复合材料的骨架或预制件。采用骨架增强的复合材料构件，由于骨架是按最终使用的尺寸编织而成的，所以它不需要再加工，这就避免了由于加工所造成的纤维损伤，提高了构件的性能，其编织机结构构造简单，工艺不复杂，生产效率较高。为了获得编织结构均匀的变截面复合材料横把管，采用常用的锭速固定的二维编织机己不能满足要求，因此有必要对固定锭速的编织机进行改进，从而得到锭子速度随时可调的变锭速编织机。本章就是要将二维编织机进行合理的改进来织造具有变截面的横把管的二维管状物。下面主要介绍编织机的工作原理，编织物的形态结构，编织参数的选择。2．1二维编织机的工作原理二维编织机是编织工序中最重要的设备，其按编织物成型的方向分为两种：(1)编织物按竖直方向成型的编织机称为立式或竖直式编织机；(2)编织物按水平方向成型的编织机称为卧式或水平式编织机。竖直式编织机目前使用的比较普遍，因为它占地面积小，并且几台机器可以放置成一组，通过转动轴由一个马达带动。按其运动形式分为有锭子式编织机和转盘式编织机。图2．1所示为一典型的锭子式编织机【56】，它由传动机构、轨道盘、纱锭、成型板和卷取装置组成。轨道盘上面装有纱锭运行的轨道。纱锭在传动机构的作用下，在轨道盘上沿不同的方向运动。纱锭上有缠卷好纱线的纱管，因此纱管随纱锭一起运动，同时纱锭还有控制编织纱线张力的作用。 天津工业大学硕士学位论文图2．1二维圆型编织机图2．2为二维编织机结构示意图，纱锭在角齿轮的带动下沿轨道槽运动；角导轮是安装在角齿轮上的一个金属盘，在此金属盘的周界凹槽，这些凹槽带着携纱器运动，并把携纱器从一个角齿轮转移到下一个角齿轮。角齿轮位于轨道盘的下方，由于他们是连接在一起的，所以一台管状编织机应有偶数个角齿轮。编织机上的一个角齿轮通过传动齿轮、皮带盘、皮带和电动机连接，其他的角齿轮则在这一角齿轮的带动下转动，图2．3为平幅编织角齿轮排列情况。轨道盘是携纱器的运动路径，一般被加工成8字型，轨道要保证携纱器的轨道跟随器永远在角导轮中；当角齿轮旋转并推动携纱器沿着轨道运动时，纱线相互交织并形成织物。在纱线形成织物的哪一点被称为编织口。为了形成连续的织物，就必须要有一个装置不断地把己形成的编织物从编织口处移走，这个装置就是提升装置。成型器是一个中间有引导孔的装置，安装在携纱器的上方，即轨道盘的纵轴方向，它和轨道盘之间的距离可以调节。织物从引导孔中通过，可使织物的编织口和轨道盘之间的距离固定不变，用于控制编织物的尺寸和形状。辘道盘危齿轮基矗图轮图2．2二维编织机结构示意图图2．3平幅编织角齿轮排列情况编织物的组织结构、外形尺寸、纱线的取向可以通过选择纱锭的个数、纱锭在轨道盘上运动的速度、卷曲机构的运动速度、纱线的粗细来确定。采用二维编织机可以编织出圆管和平幅织物。 第二章二维编织机的改进及编织参数分析编织时，编织纱系统分为两组，一组在轨道盘上沿一个方向运动，另一组则沿相反的方向运动，这样纱线相互交织，并和织物成型方向形成夹角。纱线在机器上运动的轨迹如图2-4所示。在图2-4中，白线代表沿一个方向(顺时针方向)运动的纱线的运动轨迹；黑线则代表沿相反(逆时针方向)运动的纱线的运动轨迹。二维编织过程可分为以下几步：1、编织前，首先根据所需的织物结构确定所用的纱锭数目，并将这些纱锭按一定规律安放在轨道盘上。2、然后将缠有事先选择好的纱线或纤维束的纱管安放到纱锭上。3、再把所有的纱线通过成型板集中在卷取装置上。4、调整好纱锭在轨道盘上的运动速度和卷取速度，就可以编织了。5、编织时，编织纱系统又分为两组，一组在轨道盘上沿一个方向运动，而另一组在轨道盘上沿相反的方向运动，这样纱线相互交织，并和织物成型方向夹有士e角。我们把0角称为编织角。6、交织的纱线在成型板处形成织物，然后被卷取装置移走。图2-4纱线在机器上运动的轨迹2．2管状编织物的结构分类根据轴向编织纱线的有无，二维编织分为二维二轴编织和二维三轴编织两种基本形式。二维二轴编织，根据结构形式的不同，有1×1和2×2等不同结构形式。1×1编织结构就是2个方向编织纱束每隔一束就交叉一次：2×2编织结构就是2个方向编织纱束每隔两束就交叉一次。3×3以及其他编织形式比较少见。上述编织结构形式，都可以在编织成型方向引入一组轴向纱线以增强材料的轴向性能，即所谓的二维三轴编织，轴纱在编织成型过程中并不运动，只是被编织纱所包围，形成整体织物的一部分。二维编织圆管按编织种类可分为两种： 天津工业大学硕士学位论文(1)菱形编织结构：又称为l／1交织结构。即一根纱线连续交替地从另一根纱线组中的一根纱线的下面通过，紧接着又从另一纱线组中的一根纱线上面通过。(2)规则编织结构：又称为2／2交织结构。即一根纱线连续地从另一根纱线组中的二根纱线上面通过，紧接着又连续地从另一纱线组中的二根纱线上面通过，这样交替地进行交织。(3)赫格利斯编织结构：又称为3／3交织结构。即一根纱线连续地从另一纱线组中的三根纱线下面通过，紧接着又连续地从另一纱线组中的三根纱线的上面通过。这样交替地进行交织。图2．5给出了上述三种编织所形成的织物结构。图2．5二维编织织物结构(1)菱形编织(2)规则编织(3)赫格利斯编织编织物的几何参数由编织设备所决定，研究两者之间的关系，就可以建立起工艺科学数据库，从而把设计和织造工艺联系起来。编织工艺有两种基本类型：常规编织和成型编织。常规编织就是编织物在一空间内编织好，然后将它卷绕在一提取装置上。成型编织是织物直接编织在一个具有一定形状的芯模上，形成一近似网状的复合材料预制件。由于它的整体性和纤维的多轴取向，此种编织结构具有扭曲稳定性和高水平的损伤容限。沿纵向加入纱线后，就形成了三轴向编织物。此织物是一个具有高水平轴向刚度的织物。此种织物容易加工处理，适合大多数基体注入技术和复合材料成型技术，例如：预浸、模压、树脂传递模塑等。 第二章二维编织机的改进及编织参数分析2．3二维编织机的改进对于具有复杂形状的二维编织预制件，越来越多的制造方法被提出来。如中国专利CN102364615所公开的，采用把等直径的二维编织套管按尺寸裁剪后套在变直径锥形绝缘芯管上来解决异型曲面预制件的成型问题，该发明将编织成的等直径玻璃纤维二维编织套裁剪成与复合绝缘子芯管制品尺寸相对应的长度套在变直径锥形芯模上，然后对编织套管两端施加张力使其收紧，紧密套在模具上，然后用相同方法逐层嵌套直至需要的厚度来得到预制件。这种方法得到的变直径锥管，改善了外观不良的问题，但破坏了预制件的整体性，使其性能降低，对一部分异形制件不适用，在嵌套的过程中易对纤维造成损伤，也影响其整体性能。这就限制了具有复杂截面的二维编织预制件的应用发展，因此有必要对编织机进行改进，获得整体性良好的编织结构。2．3．1改进前二维编织机的特点对于二维圆型编织机，可编织出横截面为圆形或圆环形的织物。目前二维编织机的成型工艺己相对成熟，对于一般的等直径圆管采用普通的二维圆型编织机即可达到相应技术要求，但对于一些工程中常用的变直径锥形的二维编织预制件，即沿制件的长度方向横截面尺寸是逐渐变化的二维编织预制件，采用普通的二维圆型编织机进行编织时还存在一些缺陷。编织角表示了纱线在芯轴上的相对位置，是编织结构中重要的几何参数。编织角的形成依赖于各种工艺参数，如芯轴的形状、芯轴的提升速度、携纱器的转速等。由于普通的二维编织机上纱锭在轨道盘上运动的速度是固定的，这样在编织过程中各个截面的尺寸大小不同，易造成各截面织物表面编织角和纱线覆盖系数变化过大等问题，在一定区域内纤维的表面编织密度逐渐发生变化，造成织物表面不同区段纤维稀密不一等现象，严重影响了织物的外观和使用性能，限制了产品的可设计性。2．3．2二维编织机的改进原理普通的二维编织机常采用更换齿轮来调节织物的编织角，严重降低了编织生产效率。因此在本实验中将普通的64锭二维编织机进行了改进，改进后的二维编织机在普通二维编织机的基础上增加了变频器，通过调节变频器的速度来间接地调节锭子的转速，进而得到设定的编织角。该锭速调节装置包括控制开关单元、变频器、电机以及传动装置四个部分。 天津工业大学硕士学位论文开关控制单元里面含有两个独立开关，一个开关控制锭速调节装置，另一个开关控制预制件升降装置。由一个开关控制变频器转动，然后变频器与步进电机相连，通过步进电机的转动来带动编织机上的传动装置进行传动从而实现锭子的运动。传动装置，包含一系列传动齿轮。在织造过程中，变频调节装置的工作过程为：打开控制变频器的开关，通过调节变频器可控制电机的运转速度，电机带动下方齿轮运动，然后在其他控制纱锭的齿轮中依次进行传动来带动整个编织机运动，从而实现对锭子(纱锭)运转速度的调节。该编织机之所以能实现此调节主要是由于在普通的编织机上安装了变频器和步进电机，通过变频器对电机运转速度的调节间接的实现了对锭子运转速度的调节。该编织机的另一改进为在普通的二维编织机上设计并制造了升降速度可调的预制件升降装置。该预制件升降装置包括控制开关、提升电机、螺杆、矩形升降板四个部分。开关与电机相连，电机控制下方螺杆运动，矩形升降板嵌套在螺杆上。该升降装置的工作过程为：在开关控制单元中打开控制提升装置的开关，在控制单元的控制面板上可调节升降电机的运转速度，升降电机控制下方螺杆的转动速度，矩形升降板套在螺杆上可随螺杆的转动而上下移动，在矩形升降板上可安装芯模，使预制件在芯模上进行编织成型，这样通过矩形升降板的上下移动就实现了预制件的提升与下降。该提升装置得以实现主要是由于安装了独立的控制单元，使螺杆的转动速度在电机的带动下可进行调节。在编织过程中，预制件升降装置可单独控制预制件的提升速度而不受锭速变化的影响，即锭速调节装置和预制件升降装置是两个独立的单元，彼此单独运动，互不影响，这样即实现了锭速和提升速度的同时可调性。在二维编织预制件的织物编织过程中，首先根据预制件的形状进行工艺计算，然后按照工艺计算结果确定变频器和提升速度进行编织。其编织过程分为以下几个步骤：(1)确定所用纱线的性能参数：如直径大小等；(2)覆盖系数计算：根据复杂芯模各截面的形状尺寸大小，沿织物成型方向进行覆盖系数计算，计算覆盖系数的目的在于使织物的编织角和花节长度沿织物成型方向均匀变化，平缓过渡，使织物表面匀整，改善织物表面的外观质量和织物的性能；(3)工艺计算：根据芯模形状，确定设计的编织角，然后计算锭子速度和提升速度之间的关系。图2．6(a)显示了二维编织机上携纱器角速度∞和提升速度 第二章二维编织机的改进及编织参数分析v的纱线运动轨迹图，图2-6(b)显示了编织角形成的方向矢量，图2-6(c)显示了轨道盘上的角齿轮。由于芯模的形状复杂，它是由一系列不同半径的圆截面组成，那么芯模的半径可以看作是芯模长度的函数，即：R=R(t1R：芯模某一点处的半径l：沿着芯模的长度编织过程中编织角0【可通过以下关系确定：口=tan。1(缈剐y)(2-1)其中Q为编织角，03为编织机中一1、5,轴线上的平均角速度，v为芯轴的提升速度。编织机中心轴线上的平均角速度∞：国=o／f(2．2)f=2x／coh(2．3)0为一对相邻角齿轮所占的角度，t为角齿轮旋转一周所用的时间，(oh为角齿轮的平均角速度。又，口=—(Nh—／2)‘2-4’Nh为编织机上角齿轮的数目由以上方程可得编织角a口：taij}f燮1(2-5)＼Ⅳ^y，J对于复杂形状的芯模来说叩一a《掣]协6，设变频器的转速6和角齿轮的平均角速度砒的关系为魄=k6，k为变频器和角齿轮平均角速度的关系系数，k可根据安装变频器的型号来确定。因此叩)-ta矗(2x6R(1)·)(2．7)按照设定的参数进行工艺计算。在设定的编织角下，根据上述公式(2．1)、(2．2)、(2．3)、(2—4)、(2．5)、(2．6)、(2．7)可确定锭子运转速度和编织机的提升速度。(4)确定所用编织机的齿轮传动关系，将锭子运转速度和提升速度的关系转换为变频器速度和提升速度的关系：(5)观察织物的表面成型质量。与现有编织机相比，本改进采用了加变频器和独立提升机构的二维编织机， 天津工业大学硕士学位论文使锭子的运转速度和织物的提升速度实现了同时的可调性；锭子的运转速度可通过变频器进行间接调节；通过控制锭子运转速度和提升速度的关系，使具有异型变截面曲面的预制件沿织物成型方向的编织角和花节长度均匀过渡，避免了由于织物各部分截面形状尺寸差异造成的各区段织物编织角和表面编织密度差异过大等问题。本改进具有以下技术优点：(1)在普通的二维编织机上增加了变频器和独立的提升机构，实现了锭速和提升速度的同时可调性；(2)避免了由于制件各部分截面形状尺寸差异造成的各区段织物编织角和花节长度差异过大等问题；(3)实现了在二维编织机上织造具有异形截面且变截面预制件的可能性，形成的二维异型编织预制件表面匀整；(4)成型工艺简单，加工便捷，生产成本低。A渤yD)(c)图2-6二维编织运动轨迹(a)纱线在芯轴上的运动轨迹；(b)编织角形成的方向矢量；(c)轨道盘上的角齿轮2．4二维编织参数设计根据所需编织物的组织形态、外形尺寸大小、纱线取向以及各方面性能上的要求，可以通过选择携纱器的数目，轨道盘上携纱器运动的速度与提升机构的运动速度比，起始编织点距离轨道盘的高度即编织高度，纱线的细度来确定。在芯棒上每个纱线形成一个螺旋路径。因此，编织成型机理可以通过简单的数学关系来进行描述。2．4．1编织角编织角是指纱线相互交织时和织物成型方向形成的夹角。编织角表示了纱线在芯轴上的相对位置，是编织结构中重要的几何参数。编织角的形成依赖于各种工艺参数，如芯轴的形状、芯轴的提升速度、携纱器的转速等。编织角的计算可 第二章二维编织机的改进及编织参数分析根据公式(2．7)来进行计算，通过确定锭子运转速度和提升速度的关系来得到设计的编织角。2．4．2纱线覆盖系数纱线覆盖系数通常被用于纺织产业中编织时纱线的覆盖程度。覆盖系数即为纱线面积占芯轴表面面积的百分比。根据编织工艺参数可以估算出纱线的覆盖程度。作为纺织结构，编织预成型没有一个明确的的厚度，因此纤维体积分数不能估计。在不考虑复合材料制造过程中参数的情况下纱线覆盖系数很好地表示了预制件表面的均匀性。二维圆管编织中纱线在圆管周向形成了大量的组织循环，编织结构为2×2编织结构。在编织过程中，一半的携纱器沿顺时针方向移动，另一半携纱器沿逆时针方向运动。在此基础上建立分析编织几何结构的单胞模型如图2．7所示，ABCD代表编织结构中的一个组织循环。。∥鬏B，V／＼／／||＼．-Ⅳ／T、㈨图2．7二维编织单胞模型编织圆管的周向被分成N／4，N为携纱器的数目。R为芯轴的半径(nun)，0【为编织角。单胞的宽度为w，w：18nFR(2-8)ABC的面积(单胞面积的一半)为S，则s2敷删羔)=黠亿9、A’B’C’的面积(单胞间空白区域面积的一半)为S，，则 天津工业大学硕士学位论文s：三f，鲨一22L]f，堕一2兰L]j二12IⅣ2COS口八Ⅳ2COS口J2tan口f4rcRwr1==l—I—INCOS口』tan口其中Wy为纱线的宽度(nun)，覆盖系数为C，即，则c=1一丝翌：1一f1一旦丫ABCI4万RCOS口，『2．4．3纤维体积含量(2-lO)(2-11)纤维体积含量是纺织结构复合材料细观力学分析、计算和设计中的一个重要参数，是决定复合材料各种力学性能的重要参数指标。纤维体积含量的大小直接关系到复合材料应用的效果。为了评估复合材料的力学性能，需要准确的测出纤维体积含量(v0值。复合材料纤维体积含量是指材料中纤维体积占复合材料体积的百分数。复合材料中纤维体积分数取决于纱线的密度和线密度。为更好地分析其力学性能，因此有必要对复合材料的纤维体积分数进行分析。编织圆管的周向被分成N／4，N为携纱器的数目。单胞的宽度为W，单胞内纱线的长度为L，单胞内纱线的质量为ITI，则：8zcRW=——NL=8BC(1+Z)(2-12)(2—13)聊一8BC(1。+Z)T。(2-14)单胞内纤维的体积为v，y：—8BiC(一1+Z)乏(2-15)V=一，上pc则单胞内的纤维体积为y：．16n"R(1+Z)T。(2-16)Z-V=·Np÷sin仪单胞的体积为vl，则u=2x!(8n"R／N)(8zrR／2Ntailot)t(2-17)由以上方程可得到纤维体积含量为y，：型!!±兰211(2-18)y，=——二———二—二-。2xRpctCOS口式中，R为芯轴半径“姗)，0‘为编织角，p。为碳纤维密度(g／cm3)，Tc碳纤维 第二章二维编织机的改进及编织参数分析的线密度(Tex)，t为复合材料厚度(mm)，(1+z)为由于纱线交织产生卷曲的紧密因数。1+Z代表纱线的卷曲值，可以进行估算得到，也可以通过Pierce几何结构、正玄曲线或者通过实验值来获得，通常1≤1+ZQ。通过对公式(2．18)中纤维体积含量计算公式的分析，可以对后续的实验设计进行指导。2．5本章小结编织参数是设计和分析二维编织复合材料的基础。本章主要介绍了二维编织机的工作原理、二维管状编织的编织过程、成型方式等，并将恒锭速的二维编织机进行了改进，具体对二维管状编织的编织角、纱线覆盖系数和纤维体积含量进行了推导，分析了提升速度和锭子转速对编织角大小的影响。这些理论和方法，为下面进行编织复合材料自行车横把管的设计提供了理论基础。 天津工业大学硕士学位论文 第三章变截面复合材料横把管的制备3．1实验材料的选择采用高强高模的纤维及其织物作为增强体，可大幅提高材料的力学性能。本课题中选用的增强材料有碳纤维预浸料、碳纤维和玻璃纤维，树脂为JC．06环氧树脂。芯模采用专用矽胶材料。复合材料横把管结构示意图如图3．1所示。图3．1复合材料横把管的结构尺寸本课题所使用的材料的力学性能参数见3．1、表3．2和表3．3。表3．1单向碳纤维预浸料表3-2纤维性能参数表 天津工业大学硕士学位论文对于碳纤维横把管来言，芯模的设计是重要工作之一。芯模材料选用热膨胀性高的矽胶，即硅橡胶。硅橡胶能浇铸、压延和挤压成成型面较复杂的形状，而且其尺寸稳定性好，所以是理想的模具用原材料，适用于一些复杂型腔、中空结构、出121小内腔大的制件。这类制件脱模异常困难甚至无法脱模，即使有些能强行脱模，也通常会使结构件产生较大的残余应力，甚至致使有些结构件破坏。碳纤维横把管即属于出口小内腔大的制件，在芯模上包覆好预浸料和碳纤维后，需要能将芯模完全抽出且不会对预制件造成纤维断裂、编织纹路变化等损坏。基于以上要求，本课题采用2X60高级透明固体成型模具矽胶，该矽胶主要用于聚氨酯、环氧树脂等的成型精密模具制作、对尺寸要求稳定的化学建材和碳纤维复合材料及机器零件的测绘。也可用于其它模具的制作。本产品具有高抗撕性，透明性高，脱模性好，可回收环保等优点。此外，矽胶的尺寸稳定性好，耐热可达2500以上，在密封环境中加热不还原。其规格如表3．4所示。矽胶材料规格如图3-4所示。表3．4矽胶规格图3-2矽胶 第三章变截面复合材料横把管的制备3．2碳纤维复合材料横把管芯模的制备3．2．1复合材料横把管芯模的设计横把管的芯模是为了起支撑作用，以便于铺放织物，形成尺寸精确的预制件。矽胶因其具有良好的耐久性、较高热膨胀系数、优良的热稳定性及成模方便等优点而受到了复合材料制备人员的广泛关注。由于复合材料横把管为出口小内腔大的中空管件，因此在包缠碳纤维或预浸料后，首先应该考虑的问题是如何将芯模顺利抽出。本课题采用的方法是将成型后的芯模进行合理分割，将其划分为几个不同的部分，在先抽出其中某个部分后，剩余的其他部分也可iliON抽出。切割的原则是使芯模的每一部分都能顺利抽出且不会对编织横把管的成型性产生影响。UG作为一种通用的建模软件，它的实体建模功能非常强大，尤其是进行复杂的曲面造型时，在UG中比较容易实现。因此本文采用三维实体造型UG软件，根据复合材料自行车横把管的结构尺寸建立复合材料自行车横把管的实体模型。采用UG所构造的横把管的实体模型如图3．3所示。利用UG软件将横把管模型进行模拟切分，切分的重点在于中间直径较大的部分如何抽出。本课题中将芯模分割成了1、2、3、4四部分，图3-4(a)为横把管各分割部分组合在一起的UG模型图，切割后的芯模各部分形状如图3-4(b)所示。图3．3复合材料横把管UG模型(b)图3-4复合材料横把管UG模型(a)分割后组合在一起的芯模；(b)芯模分割后的四部分 天津工业大学硕士学位论文3．2．2矽胶芯模的制备制备碳纤维横把管芯模时，设计并制造了碳纤维复合材料横把管的专用模具。模具图如图3．5所示。图3．5碳纤维复合材料横把管的专用模具制备矽胶芯模的过程如下：(1)对成型模具的表面进行清洁除污，然后在模具的各个工作面上涂覆一层脱模剂，以便制备的矽胶芯模易于脱模。(2)为保证最终的芯模具有较高的平整度且尺寸精准，首先在上下两块模具型腔中均铺附和横把管厚度相同的碳纤维预浸料，铺层时每铺一层都要用压辊压实，赶走气泡。进行预浸料的铺附，避免了芯模成型后的的切削工作。提高了芯模尺寸的精度。(3)将矽胶铺附于预浸料上方，在铺附矽胶的过程中需要在矽胶中间埋入铁丝和铁钉。埋入铁丝的长度一定要超出横把管的两端，这是由于在芯模外包缠纤维后，包缠纤维的长度与芯模的长度一致，若不埋入铁丝，抽出芯模时由于没有自由端被握持，因此不利于芯模的抽出；埋入铁钉是为了将分割后的芯模各部分固定，保证了芯模良好的整体性。(4)将模具合模放于热台上，在140。下加热30min即可固化成型。(5)将固化后的模具从热台上取出，待模具自然冷却后进行开模，制成后的矽胶芯模如图3-6所示。图3-6矽胶芯模 第三章变截面复合材料横把管的制备(6)将制备完成的矽胶芯模进行切分，首先可按3．2．1部分设计好的切割方案在芯模表面进行划线，然后用刀片进行切割即可。3．3碳纤维复合材料横把管的制备铺层／编织混杂结构复合材料的力学性能不仅与铺层及编织工艺设计参数有关，而且也与基体类型和固化成型工艺有着密切的联系。为了探明预浸料铺层数与碳纤维编织层数对复合材料力学性能的影响，本研究分别制备了9层预浸料1层编织、9层预浸料3层编织和9层预浸料5层编织的铺层／编织混杂的复合材料横把管的3组试样L9／B1．30、L9／B3．30和L9／B5．30，预浸料的铺层方案均为O。方向，横把管两端直管处编织层的编织角度均为300。另外制备了一组铺层方案为[o。9／30。】T的纯铺层结构的复合材料横把管样品L9和其力学性能进行了对比。此外，本论文也讨论了编织角以及碳／玻璃纤维混杂比对复合材料横把管力学性能的影响。试样编号L2／B5．30、L2／B5．45和L2／B5．60分别代表2层预浸料和5层编织结构，预浸料铺层均为00方向，5层编织结构中两端直管处的编织角分别为300、450和600；试样L2／G．C4．30表示5层编织结构中最里层为玻璃纤维，另外4层为碳纤维；L2／G2．C3．30表示5层编织结构中里面2层为玻璃纤维，另外3层为碳纤维。碳纤维复合材料横把管的设计方案如表3．5所示。本研究选择了与预浸料固化温度相似的树脂类型即JC．06环氧树脂，并确定了合理的固化温度。根据碳纤维复合材料横把管的结构特点，确定了最佳的成型工艺，并制作出树脂浸润性良好且外形美观的复合材料横把管，并测试了该复合材料横把管的一些基本参数。表3．5复合材料横把管制备方案 天津工业大学硕士学位论文3．3．1碳纤维复合材料横把管的编织工艺设计本课题中碳纤维复合材料横把管为变截面的不等径圆管。对于变截面的复合材料横把管，由于各个截面的直径尺寸大小不同，在编织过程中易造成各截面织物表面纱线覆盖面积变化过大等问题，导致织物表面不同部位纤维稀密不一等现象，严重影响了材料的外观和力学性能，因此在进行变截面复合材料横把管的编织过程中，应尽量保证圆管不同部位表面纱线覆盖率的一致性。因此，可根据第二章中纱线表面覆盖系数公式计算变截面横把管不同部位的纱线覆盖率。根据变截面横把管不同部位的直径大小，首先对芯模进行分区，确定沿织物成型方向各区段的长度大小。首先将横把管的示意图沿轴向分为5个区段，如图3．7所示：第1区段为等直径的圆管，长为194mm，直径为19．2mm；第1I区段为锥管，长度为80mm，锥管小端的直径为19．2mm，大端直径为35mm；第1Ⅱ区段为等直径的圆柱，长度为lOOmm，直径为35mm：第Ⅳ区段为与第1I区段规格相同的锥管；第V区段为与第1区段相同的等径圆管。图3—7复合材料横把管分区图为确保横把管各部分纱线覆盖面积一致，可根据第二章中纱线覆盖系数公式(2．11)计算各分区的编织角大小，其中纱线表面覆盖系数C保持恒定不变，Wy取0．5mm。计算后的横把管各区编织角大小如表3-6所示。表3-6横把管各分区的编织角 第三章变截面复合材料横把管的制备在实际的编织过程中，我们需要确定的是改进后的编织机锭子运转速度和编织机提升速度的大小，由于横把管各区编织角的大小也己确定，因此可根据第三章中编织角与变频器转速及编织机提升速度的公式(2．7)来计算织造过程中锭子转速和编织机提升速度的大小，其中k为1．5，v设定为12cm／min。得到的横把管各区变频器速度和编织机提升速度大小如表3．7所示，其中6的单位为r／min，v的单位为cm／min。表3．7各区设定的变频器速度、提升速度3．3．2复合成型工艺复合材料的成型固化工艺也影响着复合材料的性能。随着聚合物基复合材料工业技术的发展，新的高效生产方法不断出现，目前在聚合物基复合材料生产中采用成型方法的已有很多种，常用的成型方法主要包括：模压成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、注射成型、手糊成型、喷射成型、袋压成型、树脂传递模塑成型(RTM)等[64-65】。复合材料及其制件的成型方法主要根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定。本文研究的碳纤维复合材料横把管是由一种预浸料和碳纤维及玻璃纤维制成，制备时将真空灌注和气囊成型工艺结合而成。真空灌注成型工艺VlMP(vacuuminfusionmoldingprocess)是近年来在RTM工艺(resintransfermolding)基础上发展起来的一种新型复合材料成型工艺，是一种大型复合材料制件的低成本液体模塑成型技术，国外对这种低成本复合材料成型工艺已经进行了十多年的研究，并已广泛应用于航空航天、建筑、交通和船舶等领域的复合材料制件上。 天津工业大学硕士学位论文真空灌注成型的工艺原理是在一个单面刚性模具上将纤维增强材料用柔性的真空薄膜袋包覆并密封，在真空负压下将模腔中的纤维增强体的气体抽出，建立一个封闭的系统，在真空产生的压力作用下进行树脂的渗透、流动，实现树脂对纤维及其织物的充分浸渍，并在加热条件或室温下进行固化成型。与传统的工艺相比，该工艺设备简单，节约了各项设备的投资，不需要热压罐、RTM等大型成型设备，极大的简化了模具制造工序。尤其对于尺寸较大、厚度较大的复合材料制件而言，真空灌注成型具有生产效率高，劳动强度小，加工生产过程环保，对人体安全和健康危害小，人为影响因素小，力学性能较高，产品性能质量稳定等优点，是一种十分有效的复合材料成型方法。气囊辅助成型工艺是将预成型体铺放在密封的气囊上，置入模腔中，通过气囊冲压压实预成型体，使预成型体贴附在模腔内表面成型。气囊辅助成型预成型体铺放便捷，气囊压力容易控制，对预成型体压实效果显著。气囊辅助成型可一次成型形状复杂的构件，构件的外形是靠模腔内部的形状保证的。制备碳纤维复合材料横把管的整体工艺过程如下：(1)在3．2部分制备的矽胶芯模表面涂抹滑石粉，然后用尺寸大小正合适的尼龙气袋包覆切割好的矽胶芯模。涂抹滑石粉和包覆尼龙袋是为了在碳纤维包缠芯模后，芯模易于从中抽出。(2)包裹好芯模后，按设计方案进行预浸料的铺附，在铺层时每铺一层都要用压辊压实，赶走气泡。(3)将铺附好预浸料的芯模固定于二维编织机上，按设计的编织工艺参数进行编织。(4)将编织好的横把管预制件取下，然后放入冰箱中在．300条件下冷冻几个小时，冷冻的原因是由于矽胶具有较高的热胀冷缩系数，在冰箱里冷冻一定时间后，尼龙袋易于和矽胶分离，矽胶在滑石粉和尼龙袋的作用下更易从包缠的纤维中抽出。将冷冻后的预制件取出，然后通过握持芯模中的铁丝将碳纤维包缠的芯模完全抽出，抽模时应尽量避免握持横把管两端的碳纤维，以免造成编织物的变形，从而对横把管的成型外观及力学性能造成影响。最后将中空的横把管预制件按设计尺寸进行裁剪称重。(5)将一端密封的气袋穿入碳纤维横把管预制件中，然后裁剪合适尺寸的脱模布、分离布、导流网，铺层顺序从内到外依次为横把管预制件、脱模布、分离布、导流网。(6)用设置有进胶管入口和抽气口的真空薄膜袋将上述包缠好的横管预制件密封，用密封胶带将其密封在真空薄膜袋内。(7)用真空泵抽真空并检查真空薄膜内的气密性，若模腔的真空度达 第三章变截面复合材料横把管的制备O．095MPa，则认为密封装置无空气泄漏。(8)在真空袋密封装置中注入树脂，使树脂在密封装置中循环流动2．3次，确保树脂充分浸润横把管预制件并充满整个装置，将多余的树脂收集在抽气口与真空泵之间的树脂收集器中。(9)将树脂完全浸渍的横把横预制件维持真空度一段时间，使真空薄膜袋压紧增强材料，以保证制品达到较高的纤维体积含量。(10)将包缠横把管预制件的脱模布、导流网、真空薄膜袋等辅助材料剪开取下，然后将横把管预制件放入模具，将尼龙气袋密封端伸出预制件管口约20mm，将预制件放入模具型腔内并使气袋开口端穿过气嘴的内孔。(11)合上模具的上压盖，在合上压盖之前可以用手指挤压预制件的侧壁以避免织物被压入到模具的分型面中，合上上压盖后紧固模具。将气嘴的锥面部件插入气袋内部，尽量使气袋和锥面贴实，合上并紧固气嘴端盖。(12)将模具与氮气装置连接，缓慢地往模具中加压，检查模具是否有漏气现象发生。在关闭氮气装置后，氮气装置上的压力表指针若不发生回转，说明气密性良好。松开模具与氮气装置间的连接装置，释放模具和软钢管内的气体。(13)重新将模具和氮气装置连接好，依据固化工艺(800C／60min一加压至1．2Ⅷa一800C／20mill—1250C／120min)，进行升温固化。升温过程中注意加压时间点。(14)待固化完成后让模具冷却1小时后开模，取出成型的制件并秤重记录。图3．8为制备的碳纤维复合材料横把管的试验样品。表3．8为各碳纤维复合材料横把管的参数。图3．8碳纤维复合材料横把管试样 天津工业大学硕士学位论文表3-8碳纤维复合材料横把管试验件的参数样品编号厚度(mm)纤维体积含量(％)L9／B1-30L9／B3-30L9／B5—30L2／B5-30L2／B5-45L2／B5-60L2／G-C4-301．31．62．142．62．12．242．0555．053．552．351．945．640．244．542．8L2／G2-C3．302．043．13．4本章小结以单向碳纤维预浸料、碳纤维及玻璃纤维作为增强材料，矽胶作为芯模，制做了碳纤维复合材料横把管专用模具，采用真空灌注成型和气囊辅助成型相结合的成型工艺制造了一系列的碳纤维复合材料横把管试验件。32 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析根据本文的设计方案，制作完成了一系列复合材料横把管样品。为了确定复合材料横把管的性能，检验设计的可靠性，因此对复合材料横把管进行了静态弯曲试验、疲劳试验以及疲劳后的静弯实验。4．1弯曲性能测试弯曲性能是复合材料的基本静态力学性能，反映了复合材料抵抗弯曲破坏的能力，是评价复合材料力学性能好坏的一项重要指标。认识复合材料的弯曲性能规律对其材料应用具有重要的意义。正确的弯曲性能数据来源于合理的弯曲性能试验。本小节主要介绍碳纤维复合材料横把管的弯曲试验和测试结果，分析了编织层数、编织角度以及碳／玻璃纤维混杂比对复合材料弯曲性能的影响，并通过试样的断口形貌揭示复合材料弯曲破坏的破坏机理，为碳纤维复合材料横把管弯曲性能的预测与设计提供实验依据。4．1．1测试标准与实验方法本实验参照了国标《GB厂r1456．2005夹层结构弯曲性能试验方法》和《GB厂r1449．2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法》。弯曲试验所用仪器设备为岛津AG．250KNE万能试验机，加载速度为2mm／min。4．1．2弯曲夹具对于复合材料圆管，若采用常用的实验装置，容易产生应力集中和挤压破坏，会降低试件的弯曲刚度和强度，因此需加辅助装置，将压头和支座的支点处设计成加一倒角的半圆环做过渡装置，静态弯曲试验的压头和底座设计如图4．6所示，压头中间半圆柱的半径为15．9mm，与横把管中部管径的表面半径几乎相同，前后的距离为40mm；底座跨距为568mm。 天津工业大学硕士学位论文图4．1静态弯曲试验所设计的压头和支座弯曲实验在岛津AG．250KN试验机上完成，如图4．8所示，实验结果取3个试样的平均值。图4．2复合材料横把管弯曲试验4．1．3弯曲实验结果与分析复合材料圆管的弯曲强度和模量是按复合材料力学的方法进行计算，弯曲强度。和弯曲模量E的计算式为8PB×，×D卵币高可T14P×，3肛不F孑丽7／"3《D4一d4)××厂式中：PB——弯曲破坏载荷，单位为N；l——跨距，单位为min。f-_试样对应P的跨中挠度，单位为mlIl：(4-1)(4·2) 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析D一圆管外径，单位为mn"l。d——圆管内径。对于变截面的复合材料横把管，由于横把管各部位直径大小不同，弯曲时破坏多发生在由中间大直径向小直径变化的锥形区，因此量取各横把管破坏处平均直径大小来计算其弯曲强度和模量。4．1．3．1铺层／编织层数比对横把管弯曲性能的影响图4．3为四种不同铺层／编织层数比的复合材料横把管三点弯曲实验的载荷．位移曲线。从图中可看出四种横把管样品均呈现脆性破坏。在试样加载过程中，随着载荷的增加，会出现一些树脂或纤维破坏的声音，当载荷继续增加时，伴随着较为剧烈的断裂声，复合材料横把管出现破坏，至此试验完成。根据公式(4．1)和(4．2)计算复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量，复合材料横把管的平均弯曲强度和弯曲模量见表4．1。当纤维体积含量相同时，随着横把管编织层数的增加，复合材料横把管的弯曲强度和模量依次降低。L9／B5．30样品的弯曲强度为260．7MPa，比L9／B1．30复合材料横把管的弯曲强度降低了约9．2％，模量降低了约59．9％。由此可知随编织层数增加，复合材料横把管厚度增加，横把管的弯曲强度降低，变形量增大。蚕柱搭位移／mm图4．3铺层／编织层数比的横把管三点弯曲载荷．位移曲线4．1．3．2编织角对横把管弯曲性能的影响编织角是影响编织结构的重要影响参数。图4．4为两端等径处编织角分别为300、450和600的复合材料横把管三点弯曲实验的载荷．位移曲线。从图中可见，横把管的载荷位移曲线随编织角的增大逐渐下移。当编织角为30。时，二维编织复合材料圆管的断裂应变较小，与编织角为45。的横把管相比，呈现明显的脆性 天津工业大学硕士学位论文破坏。当编织角为600时，在应力水平达80％前线性很好，以后稍有偏离，在达到最大载荷前，曲线表现出较明显的非线性。另外，当载荷超过材料的最大载荷时，材料并没有像编织角较小时那样立刻断裂，而是出现一定程度的卸载，表明了试件损伤破坏的积累过程。不同编织角的复合材料横把管的平均弯曲强度和弯曲模量见表4．1。从表4．1可看出：横把管的编织角越小，圆管的弯曲强度和弯曲模量越大。这是由于编织角越小时，纤维取向的分力越大可以承受更大的载荷，故圆管的弯曲强度越大；编织角越大纤维取向的分力越小，在横向受的分力会越大，由于纤维纵向强度远大于横向强度，所以在大角度编织管受弯曲时纤维会在较小载荷时产生横向破坏，故弯曲强度越小。当编织角为300时，L2／B5．30型横把管的弯曲强度高达234MPa，比L2／B5．60型横把管的弯曲强度提高了约42．4％。对于横把管的平均弯曲模量，随编织角增加，圆管的弯曲模量依次降低。位移／mm图4．4不同编织角的复合材料横把管三点弯曲载荷．位移曲线4．1．3．3碳／玻璃纤维混杂比对横把管弯曲性能的影响纤维混杂比对复合材料横把管的弯曲性能有重要影响。图4．4为不同的碳／玻璃纤维混杂比下复合材料横把管的载荷．位移曲线。从图中可看出，当其他条件确定时，横把管中碳纤维含量越大，圆管的承载能力越大；玻璃纤维含量越大，圆管弯曲加载时变形越大。另外，与纯碳纤维横把管相比，混杂圆管在达到最大载荷时，材料并没有像纯碳纤维横把管那样立即断裂，而是出现了一定程度的卸载，这和材料中纤维的混杂有关。树脂基纤维增强复合材料在受载时，纤维承担了较大的载荷，材料破坏主要由纤维断裂引起。由于碳纤维的断裂应变小于玻璃的断裂应变，使用位移加载时，碳纤维先于玻璃纤维断裂，断裂的碳纤维周围还 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析有没有达到断裂伸长的玻璃纤维，树脂的存在使碳纤维与玻璃纤维间存在一定的包围粘接，因此已断的碳纤维束仍有部分的承载能力，同时未断裂的玻璃纤维可继续承载。表4．1中列出了碳／玻璃纤维不同混杂比时复合材料横把管的平均弯曲强度和弯曲模量。当横把管编织角相同时，玻璃纤维编织层数和碳纤维编织层数比为1：4时，L2／G．C4．30型横把管的弯曲强度和模量高达202．4MPa和54．7GPa，I：LL2／B5．30型横把管的弯曲强度降低了约13．5％，弯曲模量降低了约23．5％。丕＼枢舔位移／mm图4．5不同碳／玻璃纤维混杂比的复合材料横把管三点弯曲载荷．位移曲线表4．1复合材料横把管弯曲实验结果 天津工业大学硕士学位论文4．2疲劳测试性能复合材料横把管在使用过程中，往往会由于长期载荷或自然环境而产生损伤以至破坏，疲劳破坏是工程结构和机械失效的常见的主要原因之一16引。疲劳损伤的产生、扩展与积累会加剧材料的环境与应力腐蚀，加速材料的老化，造成材料耐环境性能严重下降和强度与刚度的急剧损失，大大降低材料的使用寿命，甚至会造成灾难性后果【67】。所以，对复合材料及其制件的抗疲劳性能进行研究是极为重要的。疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹，或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。与金属材料相比，复合材料的内部微结构及疲劳损伤机理要复杂得多【6№圳。由于各向异性和非均匀性，树脂基复合材料损伤包含各种机理：基体损伤机理、纤维损伤机理、界面损伤机理等。由于外部载荷的不同造成疲劳破坏的形式不同，通常疲劳破坏可分为三种，即机械疲劳破坏、腐蚀疲劳破坏和热疲劳破坏【7⋯。机械疲劳是指零部件或者结构在交变机械应力作用下产生的破坏；腐蚀疲劳破坏是指在循环交变应力和腐蚀坏境联合作用下产生的开裂与破坏；热疲劳破坏是由于温度的循环变化而引起的应变的循环变化并由此产生的疲劳破坏。复合材料横把管在使用过程中一般认为因温度的变化和环境腐蚀的作用影响很小，这里我们不作为讨论对象，主要考虑的疲劳破坏是山于长期的使用过程中，受到循环应力的作用而产生的机械疲劳。疲劳破坏与材料的组成，构件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境等因素有关，造成疲劳破坏的重复变化的载荷叫做疲劳载荷。机械疲劳根据载荷作用的幅度和频率又可以分为常幅值、变幅值和随机疲劳载荷，常幅值疲劳是指在固定不变的交变应力幅值和频率下产生的疲劳，常幅值疲劳常用于材料疲劳性能试验，也用于疲劳分析方法的研究，同时还用于比较两个结构的疲劳性能的优劣；变幅值疲劳是指交变应力的幅值发生变化，而频率不变的应力作用下产生的疲劳；随机疲劳则是应力幅值和频率都随机发生变化的应力作用下产生的疲劳。本实验中采用的测试方法即为常幅值疲劳测试。4．2．1测试标准根据欧盟标准ENl4764：2005((Cityandtrekkingbicycles—Safetyrequirementsandtestmethods))中的要求，对复合材料横把管进行疲劳测试。疲劳试验示意图如图4．2．1所示。测试时将横把管中间部位进行固定，然后在离横把管两自由端约50mm处各施加完全相反的200N的交变力120000次，测试频率为3Hz。 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析图4．6横把管疲劳试验示意图4．2．2实验仪器与实验方法本实验的疲劳测试所用仪器设备为隆庆精机股份有限公司生产的4CH龙门型气压振动试验机。本疲劳实验的测试系统由加载系统和数据采集系统两部分组成。该实验机由计算机控制，能够自动采集数据，在计算机上实时显示不同循环周期下试样加载大小和振幅曲线，且测试精度较高，疲劳实验过程如图4．2．2所示。疲劳实验步骤参照欧盟标准ENl4781：2005，主要步骤如下：(1)实验状态调节：按照标准ENl4781：2005中的要求调节实验的环境条件及准备事项。环境条件为室温。(2)安装连接测量实验数据所需的加载系统和数据采集系统。打开总电源，并按照操作规程开启稳压电源及计算机等实验设备。(3)试件的安装。按标准ENl4781：2005中的要求将横把管试件装在试验机中间夹具里，对准中心，然后将横把管两端固定，要求试件的中心线与夹具的中心线一致。然后在进行气压系统的连接与调试。(4)开启气压系统与实验机，开始试验，实验数据自动保存在设定的文件夹中。 天津工业大学硕士学位论文4．2．3实验结果与对比分析图4．7横把管疲劳试验4．2．3．1铺层／编织层数比对横把管疲劳性能的影响图4．8为进过疲劳时候的横把管样品，从中可看出经过频率为3Hz的12万次疲劳测试以后，横把管并没有发生破坏，也没有出现目视可见的裂纹，仍可进行循环加载。图4-9中的(a)、(b)、(c)和(d)是不同铺层／编织层数比下复合材料横把管疲劳测试后得到的载荷和位移曲线。另外，从图中可看出，在固定的加载条件下，疲劳测试时不同试样的位移摆动振幅不同。为了便于观察，将试验测得的横把管的最大位移制作了如图4．10所示的折线图。从图中可看出随着编织层数的增加，横把管疲劳测试时上下摆动位移振幅逐渐增大，说明随着编织层数的增加，材料的刚度逐渐降低，柔性逐渐增大。对于bBl．30、L9／B3．30和L9／B5．30样品，疲劳测试中横把管的摆动最大位移振幅分别为1．8mm、2．1mm和2．3mm，比纯铺层的碳纤维横把管增加了约100％、133％和155％，远大于纯碳纤维预浸料铺层的横把管的摆动位移振幅。图4—8经过疲劳测试后的横把管 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析3LI■‘●·_譬l蕾1．●O10．柚●．∞-I氟∞-．睫．●n1l；_j■．∞‘●■-lI．^∞lI幽确幽l幽UmmI．1‘一)I．■●。●●。O—●．S-8．●-I．1，‘’■_’·囔．●II毒_蛔l-磅黪，硝∞柚汹umboo30．OCk，"囊I．■。t。‘⋯⋯“1lO．OO．●-10．囊叫哺．口。．⋯。。．。。I一⋯’"”。一’’1，l■一，-30．●Il幽岫幽l幽撼啊●I．s‘-)1．OO．sO．O-0．s_1．O．．⋯i1。’可2”f‘■_’-1．1Il“蚺汹赫翎椭l列啪(a)L9试样■氐一I●．●‘■侈；‘■翰毒氐曩l屯●●l-．●|．●-LO嗫氟■_-SO．囊哪-●I·髑。O蝌蝤争搿’l黼"童I■一"_!I瓢釉憾曩I【蜘I嘲酾期_酾j撕V洲-∞lI鬻摹蚴自《嗣瞻、曩I蛹黪渤麓函麟、灞嘲嘲■‰Il期蚓‘J,e．。。蕊。、lJ1．tF}‘I．●-一v一·毒。一一-氟"、-i．●¨{t一盂。．。-t．e糍曩i《，_"II．1妇簟-‘鳞曩幽期赫l一聃{k口‘i■j毒一l。OllOoI。0-t．●～l—te-4．●i鞠-■lII复■iI—罐j鼋l巍■潮_d晒羽i蠢■(b)L9／Bl-30试样 天津工业大学硕士学位论文a氐■OC-，引刍．I■．■OIO．舯9．∞-le、∞-．嘲．ODt‰，-m．∞I幽幽。幽l粕l姻啪"．■‘一"毛aI．O■．口-I．0卅|．O嚏O‘黼，II—-曩幽幽l粕12-啪|器．OI约．O‘．|．蛆；．jlS．n10。0s．oO．Ol-s．O}-tO．Ol-IS．OI-tO．dl—t5．OI-幽幽妇l幽u囊mt．Sf_1t．O1．暑I．OO．S口．O-0．S·I．O-1．1-t．a。．{—t．毫II-I；oo油幽稍赫I∞啊融(c)Lg／B3—30试样曹屯舶Il-t’il口．一j10．∞ij．～．；j疆。●l⋯一一～～一!⋯⋯≯-l屯∞-嘲。囊D哪．∞’‘v¨’’≯喇；棚|【-"I·囊蝴j蜘嘲il囊-hl一啪氛●t—一毒{■一￡、7．{⋯一v*5t．Ol。●o,e-I．●·毛●__■-一—薯．●‘Ⅺ吨●i}{‘_一，I；；薯-龋·攀自自国椭I∞b嘲刊■O，1．OI一"：∞．O．{．一j▲。～i——一一．—I’f一⋯⋯’’⋯⋯’，一l曩．Oh，●●●一～-●’一。⋯．10¨t枷一-tO．Oh^、。。^。二～～．⋯．．q．⋯。。^_^_|国．●一t⋯。。。．。直⋯。～A～——j。j’1’’_⋯{一一!’’⋯rr■一i’一1一’-∞．曩I}蕾●辆赫赫Ia卤∞l羹_m．‘O‘_{；3I童}～，i一一L——。_擘⋯t。●⋯lZl。口。‘O．■．～～一。·。⋯一⋯．_’1一一一一i—f。蕊■’4_氛●tIi稿嘲I瞄隧油捆囊kd_il硎啪(d)L9／B5．30试样图4—9不同铺层／编织层数混杂比疲劳载荷一位移曲线42 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析图4．10疲劳测试位移4．2．3．2编织角对复合材料疲劳性能的影响图4．11中的(a)、(b)和(c)是不同编织角的复合材料横把管疲劳测试后得到的载荷和位移曲线。从图中可看在经过频率为3Hz的12万次疲劳测试以后，各编织角的横把管并没有发生破坏，仍可进行循环加载。图4．11显示了疲劳试验测得的横把管的最大位移。从图中可看出随着编织角增大，疲劳测试时横把管的振动位移振幅越大。当编织角为300、450和600时，横把管的最大摆动位移分别为2．4mm、2．6mm和2．9mm，其主要原因是当编织角度角小时纤维纵向与复合材料管轴向取向较好，又由于纤维本身断裂伸长率较小，造成较小角度编织的复合材料管在弯曲时具有较小的挠度。编织角度较大时，纤维成弯曲状态在复合材料管弯曲过程中会产生伸展使复合材料管具有较大挠度。编织角度过大，弯曲时在纤维横向的分力会变大，由于纤维本身横向强度较小，导致在复合材料管较小挠度情况下纤维发生断裂。 天津工业大学硕士学位论文缀柚l翻b，●Oi●●"■．蕾-I，I瞻：■_蕾0．^』，_1l_扩IO．∞口．∞-1囊．∞_I阻。∞一_t瞒i■"-锄．--n⋯一0曩_由-—耐∞旆l∞ho12翻m3。●纛tLZ!，嘻．．～；lo■’1r。’丁l。O⋯1寸●．O·1．■—lIO-3。曩一1—一，Il幽幽幽I山I嬲m∞。Ot●自F，∞．O一～—1rlO．OO．O-tO．口·哩口．O‘‰"一，矗dI⋯一0l摩l；口口j啊矗_1幽l妇I积啪3。OC-一"2．口脚一甲1I．OO．O-I．o—t．ot‰"·量dI⋯a幽妇嘲l幽l一啪(a)Lz／B5．30试样’I．∞tl时瓤I_1．∞№o-l也∞嘎■．∞-I曦。∞蠛舯‘H—·一"●l稿-国尊、l黼一嘲l彝商呻l秘蜘羲囊卜l一{蔓，}．藿．0I．O曩|．I●-i。0一．’+l‘，r．毫．口F■-j．j。。：⋯⋯二i。“-s．口。‘‰’●I赫talon幽默—‰_l嚣m∞．O蜃W，鞠I．●一"r⋯l●．●O，O～-tO．0r～～～一÷，，⋯-々，。．一．．融．O⋯⋯。。i。——。。⋯。。。～～。～一·喝口．口薯—_ll-囊自函睡鳓i鳓嘲甜嫡·l蚓∞翻瓤a纛O峥一掣÷r^{。一母嘲‘嘲I．O{毒．．口-I．0—r一：⋯“!一吨．O-3．0(I—o’q．Oll赫幽’幽妇盛添l稿嘲n(b)L2／B5．30试样 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析It．∞(klr)董敷蕾曩I●．稿曩氛∞-l瓤∞喊舯镳抛}‘黼jIl—hmaim柏稠妇liralI∞氛O‘●_I}霉．●1．Okm-Ii，囊—I已童{卅k●灞—一ll—-■ol峨嘲lI—I|瞳l一哪(c)L2／[35．30样品图4．11不同编织角的疲劳载荷．位移曲线图4．12不同编织角下的疲劳测试位移4．2．3．3碳／玻璃纤维混杂比对横把管疲劳性能的影响影响混杂复合材料疲劳性能的因素很多，如组分材料的力学性能、混杂比例、混杂方式、纤维／基体界面强韧性等。图4．13中的(a)和(b)是不同碳／玻璃纤维混杂比的复合材料横把管疲劳测试后得到的载荷和位移曲线。将其和图4．12中的L2／B5．30样品进行对比，从图中可看在经过频率为3Hz的12万次疲劳测试以后，横把管并没有发生破坏，仍可进行循环加载。复合材料横把管通过了欧盟疲劳测试的要求。图4-14显示了疲劳试验测得的横把管的最大位移。从图中可看出，随 天津工业大学硕士学位论文着玻璃纤维含量增加，复合材料横把管的位移振幅呈增大趋势。复合材料横把管的柔韧性逐渐增加。这和混杂纤维的性能有关。玻璃纤维的断裂伸长大于碳纤维，与碳纤维相比具有较低的拉伸强度和模量，因此在碳纤维复合材料中加入玻璃纤维后，复合材料横把管的刚度降低，柔韧性增加，在进行疲劳测试时位移振幅也就相应增加。，o-OlI一"柚．●—。1．+．．．一覃IvlO．OO．口"10．O哪。O■●■⋯。。■～⋯一—一一P2”一一"一√啪矗；‘■一’⋯一霸ndm妇汹埔_h=l划啊(a)L2／G．C4．30试样●’}t。●l，●羹渖·k●’嚎●j蘸套。lI—一，II童—炯警黛酾嘲i蝴{l露_啪，●。曩tV"耄O．●一-一【i一。i一f’"—’IO，O●．口-It●_|譬。O一■嘲。曩l■—-一，薯}l—如曩酗幽l·商黼孽穰聃●．●I·一"3．Oo—l一一。￡一，1譬．口，，●a。O-1．O一一l●■■"-t，霸II。蕾如Ia函_幽轴日kj≤誊囊细(b)L2／G2．C3．30试样图4—13不同混杂比的疲劳载荷．位移曲线 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析图4·14不同混杂比下的疲劳测试位移4．2．3。4复合材料试件结构的均匀性对疲劳性能的影响在疲劳实验中，有个别试件，例女flL9／B3．30和L2／B5．30试件(图4．15)，在实验次数比较少的情况下就发生损坏，横把管有漏气现象且横把管破裂，导致横把管测试时无法继续加载。仔细分析这些试件损坏的基本原因是在试件成型时，试件内部的树脂没有完全浸透，导致试件内部发生了分层现象。在对试件进行连续加载时，横把管内部的分层破坏越来越严重，从而导致试件无法继续加载而完全破坏。因此，做好成型工艺的质量控制，保证成型结构的一致性，是提高复合材料力学性能的关键因素。所以，为了准确获得疲劳性能数据值，除了保持实验环境的相对稳定，加大实验试件的数量外，还应保证试件质量的一致性。墨．OfktI翻艮童蝎．n。≯∥I屯●r墨．OlO．●j·毒．O1—lL●}⋯i{—lI．0l^i-"10．07＼乏；。■“{”一节一|1r“。^?_j■I_{曩．O●I癫壹酾嘲●南。奢iII酬l(a)Lg／B3—30试样47 天津工业大学硕士学位论文∞．-柚。●◆‘_lO．口O。O-10．O-I墨．口一翱1．口II{lIil蠢囊嫡由福矗Iil11O(b)L2／B5．30试样图4．15内部分层试件的疲劳测试曲线4．3疲劳测试后弯曲性能测试复合材料由于其各向异性，其疲劳损伤机理与金属材料完全不同，而且对于不同基体的复合材料，其疲劳机理也不同，同时还受纤维与基体的组合特性、铺层顺序、环境因素等影响。聚合物基复合材料的疲劳损伤起源于纤维与基体的脱粘，首先发生在与载荷方向垂直或成较大角度的铺层中，特别是那些富纤维区域的裂纹处，并通过纤维与基体的界面扩展。反复动态作用下的疲劳导致复合材料内部损伤，使复合材料的弹性模量和静强度下降，当内部损伤累积到一定程度，复合材料发生破坏。通常情况下，把复合材料在交变应力循环作用下完全破坏作为复合材料的失效准则。但有时也把复合材料经过一定的疲劳循环后，弹性模量或静态强度下降到一特定值作为失效准则。复合材料疲劳破坏机理较复杂，不同组分，不同材料，其疲劳破坏模式不相同，这些均增加了试验成本和研究难度，因此本研究中将复合材料横把管静态强度和模量的变化作为疲劳破坏的标准。将上述经过疲劳测试后无损坏的复合材料横把管按4．1静态弯曲测试部分进行弯曲试验，观察复合材料横把管疲劳后弯曲测试的弯曲强度和弯曲模量的变化。48 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析4．3．1不同铺层／编织层数比的横把管疲劳后弯曲性能复合材料横把管在固定交变应力下发生疲劳破坏，材料的强度和刚度均发生了变化。图4．16表示了不同编织层数的复合材料横把管疲劳测试前和疲劳测试后的静态弯曲载荷．位移曲线。从图中可看出，疲劳测试后试样仍呈现脆性破坏，复合材料横把管在疲劳测试前后圆管的最大载荷和位移均发生了变化。对于L9和L9／B1．30样品，经过疲劳测试后材料的最大变形均降低，而对于编织层数较大的L9，B3．30和L9，B5．30样品，经过疲劳测试后，材料的最大变形反而增加。蚕＼挺赫位移／mm(a)L9试样位移／mm(b)L9／Bl一30试样 天津工业大学硕士学位论文位移／mm(C)L9／B3．30试样位移／mm(d)Lg／B5．30试样图4—16疲劳测试前后不同编织层数样品的载荷．位移曲线4．3．2不同编织角的横把管疲劳后的弯曲性能图4．17中的(a)、(b)和(c)分别表示了不同编织角时复合材料横把管疲劳测试前后的弯曲载荷．位移曲线。从图中可看出，经过疲劳循环加载，编织角为30。时，横把管的疲劳测试后最大变形增加；而编织角为45。和60。时，疲劳测试后横把管的最大变形反而减小。L2／B5．60试样在疲劳测试后复合材料的脆性破坏仍不明显。 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析蚕＼框柩蚕＼挺鼹位移／mm(a)L2／B5．30试样蚕＼框籁位移／mm(b)L2／B5-45试样位移／ram(c)L2，B5—60试样图4．17疲劳测试前后不同编织角度样品的载荷．位移曲线(a)L2／B5-30；(a)L2／B5-45；(c)L2／B5-605l 天津工业大学硕士学位论文4．3．3不同碳／玻璃纤维混杂比的横把管疲劳后弯曲性能m4．18表示了不同碳／玻璃纤维混杂比时复合材料横把管疲劳测试前后的弯曲载荷．位移曲线。从图中可看出，与疲劳测试前横把管的静态弯曲性能相比，疲劳测试后复合材料横把管的最大载荷均降低。疲劳测试后试样L2／G．C4．30和试样L2／G2．C3．30N最大位移均减小，且L2，G2．C3．30试样的最大变形较疲劳测试前降低较多。蚕＼挺柩蚕＼枢辎位移／mm(a)L2／G．C4．30试样位移／mm(b)L2／G2-C3—30试样图4．18疲劳测试前后不同碳／玻璃纤维混杂比样品的载荷．位移曲线(a)L2／G—C4-30；(b)L2／G2一C3·30刚度随着循环加载次数的变化逐渐发生变化。材料刚度变化最直接的表现4208642O8642O 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析是弯曲模量的变化。表4．2为复合材料横把管疲劳测试前后的平均弯曲强度和模量值，由此可知：1、从试样L9、L9／B．30、L9／B3．30到试样bB5．30，疲劳测试后横把管的弯曲强度和模量均减小。纯铺层结构碳纤维复合材料横把管L9疲劳测试后弯曲强度和弯曲模量降低最小，材料的剩余强度占疲劳测试前强度的91％，弯曲模量占疲劳测试前的99％，这说明该试样经过疲劳测试后材料的模量基本没有变化。随编织层数增加，横把管疲劳测试损耗的强度越多，材料刚度逐渐降低。2、对于不同编织角的L2／B5．30、L2／B5．45和L2／B5．60，疲劳测试后横把管的弯曲强度均减小，L2／B5．30的弯曲模量降低，但L2／B5．45和L2／B5．60的弯曲模量升高。随编织角增加，疲劳测试时复合材料横把管的弯曲强度的损耗逐渐降低，说明材料在编织角较大时具有更好的抗疲劳性能。与450和600编织角相比，编织角为300的横把管L2／B5．30弯曲强度降低较多，强度降低了约24．7％。疲劳测试后L2／B5．45和L2／B5．60样品的弯曲模量反而升高，这是由于样品在疲劳测试前进行弯曲实验时，在加载初期横把管呈线性阶段，随载荷进一步增加，样品逐渐呈非线性阶段，载荷增加较缓慢；而经过疲劳测试后，材料的强度降低，在经过较小载荷时材料就产生了破坏，此时材料的变形较小，因此得出的材料的模量有增大现象。3、在编织角和编织层数相同的情况下，对于不同碳／玻璃纤维混杂的L2／B5．30、L2／G．C4．30和L2／G2．C3．30样品，疲劳测试后横把管的弯曲强度和弯曲模量均减小。L2／G．C4．30样品疲劳测试后弯曲强度和模量降低最小，说明此时材料的抗疲劳强度最好。L2／G2．C3．30样品的弯强度降低了约23．2％。表4．2疲劳测试前后复合材料横把管的平均弯曲强度和弯曲模量 天津工业大学硕士学位论文4．4弯曲试件断口形貌的分析复合材料圆管弯曲受力时主要承受拉、压两种应力状态，上表面受压，下表面受拉，复合材料横把管试件的弯曲破坏形式均为压缩破坏。横把管三点弯曲后破坏的位置主要位于横把管管径由细变粗的过渡区域，如图4．19所示。图4．19复合材料横把管静态弯曲后的破坏位置图4-20(a)显示了横把管表面的破坏形貌，可看出弯曲时横把管受压缩沿编织角方向发生了断裂破坏。图4．20(b)为复合材料横把管典型的压缩破坏试件断面照片，从图4．20(b)中可以看到试件的纤维束和基体断裂，且产生分层破坏，断裂裂纹延伸的距离较短，这表明弯曲破坏模式为脆性破坏模式。图4．20复合材料横把管表面破坏宏观照片(a)横把管表面的破坏形貌(b)横把管典型的压缩破坏试件断面照片复合材料的弯曲力学性能主要是由增强体决定的，碳纤维的协同承载能力越高，材料的强度就越高，而纤维的损伤则会严重降低材料的强度。图2l给出了未疲劳试样和疲劳测试后试样的界面SEM照片，对于未疲劳试样(图21(a))，纤维与基体的界面结合比较完整，界面结合强度较高。但是，对于疲劳后的试样(图21伯))，经过疲劳循环加载作用后，碳纤维／基体界面发生了脱粘。这时当弯曲加载时裂纹扩展到界面后，由于部分纤维比较松弛，易造成纤维的拔出。在 第四章碳纤维复合材料横把管的性能测试分析这种机制作用下易试样断口不齐，出现了纤维的拔出和界面脱粘，降低材料的强度。另外，疲劳加载过程弱化了界面结合，使得原本的强界面结合变成弱界面结合，承受静载荷时，弱界面易于发生界面脱粘等机制，会导致材料整体纤维之间难以有效传递载荷，降低材料的强度。疲劳裂纹通常也是发生在纤维与基体的界面，裂纹可能沿着纤维与基体的界面扩展，也可穿过纤维向相邻基体扩展或导致纤维断裂。图4．21未疲劳试样和疲劳测试后试样的界面SEM照片(a)未疲劳试样(b)疲劳后试样图22给出了横把管疲劳测试前后试样断口形貌SEM照片。可以看出，疲劳测试前加载试样(图22(a))的弯曲断1：3比较平整，没有出现明显的纤维束和纤维拔出现象，具有脆性断裂特征。疲劳后弯曲试样(图22(b))的弯曲断口存在纤维拔出现象，能够看到拔出纤维留下的孔洞(图22(c))，但其拔出纤维较少，其破坏模式仍是主要以纤维断裂为主。 天津工业大学硕士学位论文图4．22复合材料横把管疲劳测试前后试样断口形貌SEM照片(a)未疲劳测试的弯曲加载后试样(b)疲劳测试后弯曲加载试样(c)疲劳测试后弯曲加载试样的纤维和树脂界面4．5本章小结本章主要研究了碳纤维复合材料横把管的静态弯曲性能、疲劳性能以及疲劳后的静态弯曲性能，分析了纤维体积含量、编织角及碳／玻璃纤维混杂比对该种复合材料弯曲性能的影响，也对弯曲试件断口的形貌进行了分析，总结出了该类复合材料的弯曲破坏机理。通过实验研究得到了以下几点结论t1．在相同的纤维体积含量下，编织层数越多，碳纤维复合材料横把管具有了较小的弯曲强度和弯曲模量。2．编织角对碳纤维复合材料横把管的弯曲性能具有较大的影响。该种复合材料的弯曲强度和弯曲模量都随编织角的增加而降低。3．对于碳／玻璃纤维混杂的复合材料横把管，在实验研究范围内，随玻璃纤维含量的增加，混杂复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量比碳纤维复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量降低，复合材料横把管的柔性增加。4．复合材料横把管经过12万次疲劳加载后，复合材料横把管样品均没有出现破坏现象，达到了欧盟测试标准。与疲劳测试前横把管的静态弯曲相比，疲劳测试后复合材料横把管的弯曲强度均降低，除编织角为450和600的LE／B5-45和L2／B5．60试样外，疲劳测试后复合材料横把管的弯曲模量也均有不同程度的降低。5．疲劳测试前复合材料横把管试样的弯曲断口比较平整，没有出现明显的纤维束和纤维拔出现象，具有脆性断裂特征。疲劳后弯曲试样的弯曲断口存在纤维拔出现象，能够看到拔出纤维留下的孔洞，但其拔出纤维较少，其破坏模式仍是主要以纤维断裂为主。 第五章结论与展望5．1本课题的主要结论本课题的研究主要包含铺层／编织混杂结构复合材料横把管的制备工艺与复合材料横把管的弯曲及疲劳性能的实验研究。最终通过复合材料的静态弯曲、疲劳实验及疲劳后静态弯曲实验得到了以下结论：1．二维编织机的改进本课题中，将只能通过更换齿轮来调节锭速的二维编织机进行了改进。通过在编织机上增加变频器和独立的提升机构，提高了其自动化程度，使二维编织机能够随时调节锭子转速的大小。通过编织工艺参数的设计，提高了变截面横把管表面纤维覆盖的均匀性。2．铺层／编织混杂结构复合材料横把管的制备对于出口小内腔大的复合材料横把管，采用矽胶制作横把管的芯模，然后对矽胶进行了正确切割，以使芯模包缠碳纤维后得以完全抽出。将真空灌注和气囊辅助成型相结合制备了成型质量良好的铺层／编织混杂结构复合材料横把管。3．复合材料横把管的静态弯曲性能测试与分析设计了复合材料横把管三点弯曲实验的专用夹具，将具有不同编织层数、编织角和碳／玻璃纤维混杂比的复合材料横把管进行了静态弯曲测试，可得出以下结论：在相同体积含量下，编织层数越多，碳纤维复合材料横把管具有越小的弯曲强度和弯曲模量：编织角对碳纤维复合材料横把管的弯曲性能具有较大的影响，复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量都随编织角的降低而增加；对于碳／玻璃纤维混杂的复合材料横把管，在实验研究范围内，随玻璃纤维含量的增加，混杂复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量比碳纤维复合材料横把管的弯曲强度和弯曲模量降低，但复合材料横把管的柔性增加。复合材料横把管试样的弯曲断口比较平整，没有出现明显的纤维束和纤维拔出现象，具有脆性断裂特征。4．复合材料横把管的疲劳性能测试与分析复合材料横把管经过12万次疲劳加载后，横把管样品均没有出现裂缝和目视可见的破坏现象，达到了碳纤维自行车的欧盟测试标准。疲劳测试时，编织层数越多，复合材料横把管两端上下摆动的振幅越大；在相同的成型结构下，随编织角的增大，复合材料横把管两端上下摆动的振幅也逐渐增大；碳／玻璃纤维混杂比对复合材料横把管上下摆动振幅具有较大影响，玻璃纤维含量增加，横把管 天津工业大学硕士学位论文两端上下摆动振幅越大，说明材料的刚度越小。5．复合材料横把管的疲劳后静态弯曲性能测试与分析与疲劳测试前横把管的静态弯曲相比，疲劳测试后复合材料横把管的弯曲强度均有不同程度的降低，除编织角为450和600的L2／B5．45和L2／B5．60试样外，疲劳测试后复合材料横把管的弯曲模量也均有不同程度的降低。疲劳后弯曲试样的弯曲断口存在纤维拔出现象，能够看到拔出纤维留下的孔洞，但其拔出纤维较少，其破坏模式仍是主要以纤维断裂为主。5．2本课题的工作展望本课题的研究为复合材料在自行车的应用提供了良好的思路和可靠的数据参考，掌握了复合材料横把管在不同成型工艺下的性能差异，为复合材料横把管及其他复合材料制件的设计提供了一定的依据，可以更好地了解编织结构复合材料的性能特点及应用范围以及存在的问题。但是，限于时间的关系课题尚存在许多问题需要深度研究：(1)对于端口小内腔大的编织圆管，采用真空辅助注胶时易造成编织纹路的变化及部分纤维的损伤，因此成型工艺还需进一步改进。(2)对碳纤维复合材料横把管抗冲击性能的深入研究。(3)在疲劳测试前后还需对复合材料横把管进行无损检测，进一步分析复合材料横把管的疲劳损伤机理。(4)对此类的复合材料横把管进行一系列的试验和测试，从而或得更多的可靠试验数据，为今后更深次的理论研究提供依据。 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