纤维变角度牵引铺缝技术在复合材料开孔/开窗结构上的应用

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纤维变角度牵引铺缝技术（Variable Angle Tow Placement，简称VAT技术）是近年发展起来的一种制备变刚度复合材料的新型纤维自动铺放技术。VAT技术通过控制纤维牵引方向，在各单层内可自由设计连续变化的纤维取向，同时对结构的刚度和强度进行优化裁剪，由此制得的变刚度复合材料，与传统的复合材料相比，在减轻结构重量、提高结构性能和降低制造成本等方面显示出极大的优势和发展潜力。目前，VAT技术已经成功应用于航空航天、国防、交通运输、土木建筑、化工机械、体育娱乐等领域。 本文对VAT技术的国内外研究现状进行了全面的综述，通过对比研究基材的综合性能优选出VAT用基材，在国内首次开展了基于VAT技术的复合材料开孔补强技术研究，分析了补强片形式、补强片厚度、补强方式及补强范围等因素对中心开孔复合材料层合板补强效果的影响，并对单剪搭接螺栓连接的复合材料层合板进行了深入的补强实验研究。此外，本文以拉压杆的制备为例对VAT技术制备复合材料开孔/开窗结构件进行了探索性研究，并成功研发出碳纤维复合材料电动汽车侧围等开孔/开窗结构部件。论文的研究可为复合材料开孔补强技术、复合材料螺栓连接补强技术以及开孔/开窗结构件的制备提供一种新的途径，为VAT技术制备高性能变刚度复合材料奠定理论基础和提供实验指导。本研究对促进先进铺放技术在我国航空航天和高性能民用复合材料领域的应用亦具有重要的实际意义。 本论文主要工作如下： 1、对比研究了玻璃纤维表面毡、尼龙筛绢及PP无纺布三种基材的操作性能以及其引入对复合材料结构和性能的影响。实验结果表明，尼龙筛绢的可操作性能最好；基材的引入会导致复合材料的力学性能降低，含三种不同基材的环氧/碳纤维复合材料层合板试样的力学性能从好到差依次为含玻璃纤维表面毡试样、含尼龙筛绢试样、含PP无纺布试样；当仅考虑VAT复合材料制件力学性能时，可优先选择纤维表面毡作为基材，若需要同时考虑制件力学性能并兼顾减重及厚度等要求，可优先选择综合性能最佳的尼龙筛绢作为基材。 2、采用VAT技术制备环形和椭圆形VAT补强片，从补强片形式、补强厚度、补强方式、补强材料、补强范围等方面对复合材料开孔层合板补强进行了详细的实验研究。结果表明，VAT补强片能够有效地提高复合材料开孔层合板的性能，其中椭圆形VAT补强片面外补强效果最佳，其最大拉伸载荷相对于开孔未补强层合板和纤维布补强开孔层合板分别提高了103.9% 和42.4%，达到未开孔层合板的94.3%；面外补强由于基材与母体材料易发生过早分离而优于夹层补强；对于复合材料薄板，增加补强片的厚度对补强效果影响较小；对玻璃纤维复合材料层合板进行开孔补强，采用玻璃纤维补强效果优于碳纤维；补片补强存在一个最佳的补强范围，在本文研究的条件下，环形VAT补强片半径与开孔半径之比R/r在3.25～3.75之间，而椭圆VAT补强片长径与短径之比 a/b取值在1.5～1.8之间时，综合补强效果最好。此外，本文进一步通过有限元分析和微观结构分析对VAT补强片补强机理进行了初步的探索研究。当构件承受载荷时，在VAT补强片补强区域，载荷通过界面材料传递到补强片结构上来，载荷在补强片和母板中按照刚度分配的原则重新进行分配。随着载荷的增加，补强片和母板开始发生分层损伤。当载荷增加到一定值，补强区域补强片与母板严重分层部位的母板发生断裂破坏。 3、提出一种简单高效的补强片设计方法，并采用VAT技术制备了两种补强片，对以单剪搭接形式螺栓连接的复合材料层合板进行了深入的补强实验研究。结果表明，采用VAT补强片能够有效地提高螺栓连接复合材料层合板的承载能力，其对应试样的归一化最大连接载荷相对于未补强试样和纤维平纹布补强试样分别提高了117.7%和37.3%；VAT补强片有利于阻止裂纹的扩展，使试样的破坏模式由剪切破坏变为挤压破坏；试样拉伸过程中发生的次弯曲效应可增大螺栓与复合材料的接触面积，有利于提高复合材料的连接强度，但是当次弯曲效应增大到一定程度时会导致补强片和母体的界面发生剪切破坏，不利于充分发挥补强片的承载性能。 4、研究了一种基于VAT技术的复合材料开孔/开窗结构设计制备方法，该方法的主要流程如下：首先利用有限元软件对拟制造的构件进行力学分析，得到构件在承载情况下的主应力分布，并利用CAD软件根据主应力轨迹进行纤维轨迹规划，然后将设计好的纤维轨迹图导入VAT设备，设置合适的缝合参数，铺缝制备成纤维预成型体，最后将所制备的纤维预成型体铺放到模具上，采用复合材料成型工艺制备成复合材料构件。