面向鋪放工藝的預(yù)浸料剝離仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

彭嘯，舒展，都濤，徐強(qiáng)

浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027

預(yù)浸料由樹脂基體和增強(qiáng)纖維組成，是制備復(fù)合材料的重要原材料[1]。隨著對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的需求日益增多，傳統(tǒng)的手工鋪放技術(shù)已不能滿足需求[2]。在增加可靠性、提高鋪放效率、減少材料浪費(fèi)等方面，自動(dòng)鋪放技術(shù)是重要的后續(xù)研究領(lǐng)域[3-5]。在自動(dòng)鋪放過程中，預(yù)浸料在黏性作用下逐層鋪放在模具之上[6]，預(yù)浸料黏性和剛度很大程度上決定了鋪層性能[7]。因此，有必要對(duì)預(yù)浸料黏性以及剛度進(jìn)行定量的研究。

目前存在幾種測(cè)定預(yù)浸料黏性和剛度的試驗(yàn)方法[8-10]。其中探針試驗(yàn)被廣泛使用在壓敏膠(Pressure Sensitive Adhesive, PSA)領(lǐng)域[11-13]和預(yù)浸料領(lǐng)域[14-16]，已成為研究預(yù)浸料黏性的重要試驗(yàn)方法。Yoshinobu等[17]使用探針試驗(yàn)研究了預(yù)浸料黏性隨保壓時(shí)間、保壓大小、分離速率、溫度等因素的變化規(guī)律。卻未將探針試驗(yàn)參數(shù)與實(shí)際鋪放過程中的工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)。此外探針試驗(yàn)無法測(cè)量預(yù)浸料的剛度。剝離試驗(yàn)法因可直接參考自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)作為試驗(yàn)參數(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。如Crossley等[18]開發(fā)了一套可以同時(shí)測(cè)量預(yù)浸料黏性和動(dòng)態(tài)剛度的剝離試驗(yàn)裝置，研究預(yù)浸料的黏性和動(dòng)態(tài)剛度隨溫度的變化規(guī)律，但存在導(dǎo)輥摩擦力過大以及脫輥現(xiàn)象[18]等問題，也未考慮鋪放張力、鋪放速率等工藝參數(shù)的影響。

因此需改進(jìn)基于鋪放工藝的剝離試驗(yàn)裝置及探針試驗(yàn)裝置，以研究鋪放溫度、鋪放速率、鋪放壓力、鋪放張力對(duì)黏性及剛度的影響，測(cè)定各工藝參數(shù)下的預(yù)浸料黏性與動(dòng)態(tài)剛度。同時(shí)結(jié)合探針試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)探究兩者的關(guān)聯(lián)。選取內(nèi)聚力模型(Cohesive Zone Model, CZM)表征探針試驗(yàn)結(jié)果，通過輸入黏性參數(shù)的剝離仿真模型可揭示探針試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)的內(nèi)在聯(lián)系[19]，這對(duì)探究預(yù)浸料實(shí)際剝離過程、黏性行為隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律以及自動(dòng)鋪放仿真均有一定的工程意義[20]。

雖然剝離試驗(yàn)相對(duì)簡單，但是對(duì)其精準(zhǔn)建模有一定的困難[21]。在PSA領(lǐng)域模擬剝離試驗(yàn)的常見模型有內(nèi)聚力模型[22]、虛擬裂縫閉合模型[23]、臨界應(yīng)力失效模型[24]等，主要研究其黏性而對(duì)剝離材料的剛度研究較少。在預(yù)浸料領(lǐng)域剝離建模較少，主要由于預(yù)浸料具有正交各向異性的材料屬性[25]，同時(shí)在脫黏機(jī)理上缺乏研究[26]。Beakou等[27]對(duì)預(yù)浸料建模采用法向剛度Kn描述界面粘接性能，無法完整描述脫黏全過程且與實(shí)際界面脫黏過程有差異。因此，通過試驗(yàn)獲取材料參數(shù)和通過探針試驗(yàn)得到預(yù)浸料CZM參數(shù)是精準(zhǔn)建立預(yù)浸料剝離模型的關(guān)鍵。

本文在現(xiàn)有的剝離試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上[18]自行設(shè)計(jì)了一套用于預(yù)浸料黏性和動(dòng)態(tài)剛度測(cè)量的剝離試驗(yàn)裝置，引入了鋪放張力，并結(jié)合探針試驗(yàn)系統(tǒng)地構(gòu)建了一個(gè)基于鋪放工藝的預(yù)浸料適宜性測(cè)試系統(tǒng)。通過試驗(yàn)測(cè)定預(yù)浸料的材料參數(shù)以及黏性參數(shù)，建立了有限元?jiǎng)冸x模型。研究了黏性剝離力與工藝參數(shù)的關(guān)系；研究了剛度剝離力與工藝參數(shù)的關(guān)系；探究了脫輥現(xiàn)象的機(jī)理，提出了減輕脫輥程度的方法，并由此給出剝離裝置導(dǎo)輥的合理尺寸。揭示了探針試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)的內(nèi)在關(guān)系，建立了準(zhǔn)確的預(yù)浸料剝離模型，為剝離、自動(dòng)鋪放仿真提供了參考。

1 預(yù)浸料剝離試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

本文針對(duì)目前已有的剝離試驗(yàn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化，開發(fā)了一套適用于自動(dòng)鋪放預(yù)浸料黏性及動(dòng)態(tài)剛度測(cè)定的移動(dòng)懸臂剝離裝置，其剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定和可靠。在實(shí)際的自動(dòng)鋪放鋪層中，鋪放缺陷幾乎都發(fā)生在第一層與預(yù)浸料模具表面之間[18]，因此本文著重于研究模具表面與預(yù)浸料的黏性。如圖1所示，移動(dòng)懸臂剝離試驗(yàn)裝置主要由自動(dòng)鋪放臺(tái)和剝離裝置兩部分組成。

圖1 預(yù)浸料剝離試驗(yàn)及自動(dòng)鋪放裝置Fig.1 Device for prepreg peel test and automated lay-up process

如圖1(a)所示，剝離過程在深圳三思縱橫UTM2102電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，可記錄剝離力-位移曲線。連接萬能試驗(yàn)機(jī)升降頭和剝離底板的鋼繩使底板水平前進(jìn)速率與升降頭速率一致，確保剝離角度恒定為90°。剝離底板的恒力重物載荷可減少導(dǎo)軌的蠕動(dòng)效應(yīng)，保持剝離力的穩(wěn)定性。此外本裝置將鋪放過程與剝離過程分離，可分別探究鋪放速率以及剝離速率對(duì)結(jié)果的影響，這是已有的將鋪放剝離結(jié)合的剝離裝置無法實(shí)現(xiàn)的。

如圖1(b)所示，自動(dòng)鋪放臺(tái)可模擬真實(shí)鋪放過程，可控制鋪放溫度、鋪放壓力、鋪放速率、鋪放張力等工藝參數(shù)。鋪放溫度由剝離底板上的硅加熱墊片和溫度控制器控制，通過氣缸控制鋪放壓力，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠可控制鋪放速率。通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼以及定滑輪對(duì)預(yù)浸料施加鋪放張力。

試驗(yàn)預(yù)浸料均為威海光威USN12500/7901 單向碳纖維預(yù)浸帶，制備試樣寬度為20 mm，厚度為0.11 mm，長度為300 mm，其中用于試驗(yàn)的有效長度為90 mm。為保證試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)性，將預(yù)浸料從冰箱中取出后，均置于室溫20 ℃、濕度50%試驗(yàn)箱內(nèi)，12 h后再取出試驗(yàn)。為簡化研究，本文中剝離試驗(yàn)的剝離速率均為V=100 mm/min，相應(yīng)的探針試驗(yàn)分離速率也為100 mm/min。為測(cè)定預(yù)浸料剛度值與黏性值，采用分段式試驗(yàn)方法。如圖2所示，剝離段Ⅰ長30 mm、剝離段Ⅱ長60 mm，在剝離段Ⅰ預(yù)浸料下墊有無黏性且很薄的薄膜，可保證剝離段Ⅰ測(cè)得的剝離力為剛度剝離力；在剝離段Ⅱ無薄膜，測(cè)得剝離力視為黏性值和剛度值疊加，同時(shí)在剝離導(dǎo)輥的約束下，剝離段Ⅰ、Ⅱ的剝離半徑不變，故其兩段剛度剝離力值也不變，剝離段Ⅱ力值減去剝離段Ⅰ力值即為黏性剝離力值。通過此試驗(yàn)方法，可分別得到預(yù)浸料的剛度及黏性表征值，隨后再研究各個(gè)工藝參數(shù)下的預(yù)浸料黏性以及剛度的變化規(guī)律。剝離導(dǎo)輥的直徑為10 mm和20 mm，可探究剝離導(dǎo)輥尺寸對(duì)剝離結(jié)果的影響。

圖2 預(yù)浸料動(dòng)態(tài)剛度-黏性剝離試驗(yàn)方法Fig.2 Prepreg dynamic stiffness and tack peel test method

2 剝離試驗(yàn)建模

使用有限元(FEM)軟件Abaqus建立了剝離試驗(yàn)三維模型，對(duì)剝離試驗(yàn)進(jìn)行更深入的研究，模型主要由三部分構(gòu)成：① 表征預(yù)浸料剛度性能的正交各向異性材料，單元類型為C3D8R；② 表征預(yù)浸料黏性的內(nèi)聚力單元(CZM)，單元類型為COH3D8；③ 為簡化模型，使用解析剛體來表示各向同性彈性材料的剝離底板、剝離導(dǎo)輥等，單元類型為R3D4。

考慮到仿真有復(fù)雜接觸關(guān)系，為了計(jì)算易收斂，采用顯式動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。材料的密度均為真實(shí)密度，使用分析天平以及螺旋測(cè)微儀對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行質(zhì)量以及體積測(cè)定，計(jì)算出預(yù)浸料密度為0.0015 g/mm3。剝離三維模型及其邊界條件如圖3所示，模型使用剝離試驗(yàn)試樣尺寸，其中剛度部分長30 mm，黏性部分長60 mm。通過CZM單元粘接預(yù)浸料與剝離底板，以模擬實(shí)際的脫粘現(xiàn)象以及界面失效情形，同時(shí)為簡化模型，所有接觸為無摩擦接觸。邊界約束條件如圖3(b)所示，使用與試驗(yàn)相同的邊界約束保證剝離角度為90°，同時(shí)采用固定鉸鏈約束固定剝離導(dǎo)輥。

對(duì)預(yù)浸料和剝離底板施加同幅值位移載荷，預(yù)浸料末端與底板施加相同的幅值載荷以防止滑移的產(chǎn)生。在動(dòng)態(tài)分析中，網(wǎng)格的密度和仿真時(shí)間總長直接決定著計(jì)算時(shí)間以及結(jié)果穩(wěn)定性，所以對(duì)網(wǎng)格密度進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，分析總時(shí)長采取仿真結(jié)果較為穩(wěn)定的120 s，并且檢驗(yàn)仿真結(jié)果中的系統(tǒng)總內(nèi)能是否遠(yuǎn)大于系統(tǒng)總動(dòng)能，以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

剝離模型的關(guān)鍵是材料參數(shù)以及黏性參數(shù)的輸入，通過各向異性材料單元以及CZM單元可系統(tǒng)地表征其剛度和黏性。由于Abaqus中只有雙線性內(nèi)聚力模型，故剝離模型中指數(shù)型CZM單元使用用戶自定義單元(Vectorized User Material,VUMAT)進(jìn)行編寫，以便輸入與實(shí)際探針試驗(yàn)結(jié)果更吻合的指數(shù)型CZM參數(shù)。

圖3 剝離試驗(yàn)三維有限元模型及其約束情況Fig.3 Overview of peel test 3D FEM model and its boundary conditions

完整的CZM單元應(yīng)輸入法向參數(shù)以及切向參數(shù)，目前的研究表明在90°剝離中法向CZM參數(shù)占主導(dǎo)地位，切向CZM參數(shù)對(duì)于剝離仿真結(jié)果影響很小[28]，可忽略不計(jì)。所以在本模型中切向參數(shù)設(shè)定為與法向參數(shù)相同，做簡化處理以忽略切向參數(shù)的影響。完成對(duì)預(yù)浸料的材料參數(shù)以及黏性參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定，以完善剝離模型。

3 預(yù)浸料黏性及材料參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

3.1 探針試驗(yàn)

探針試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于PSA領(lǐng)域與預(yù)浸料領(lǐng)域，其原理是將探針探頭以一定的壓力和時(shí)間與待測(cè)黏性試樣接觸，隨后以一定的速率將其分離，記錄分離脫黏過程中探頭所受力與分離位移的曲線。但是目前的探針試驗(yàn)裝置都沒有引入鋪放張力這一自動(dòng)鋪放過程中重要的工藝參數(shù)。故設(shè)計(jì)改進(jìn)了面向自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)的探針試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置通過硅加熱片控制溫度，砝碼提供預(yù)浸料張力，電子試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)控制壓力及保壓時(shí)間，如圖4所示。

圖5為典型的探針試驗(yàn)分離過程的應(yīng)力-位移結(jié)果曲線,探針溫度20 ℃、保壓時(shí)間1.5 s、保持壓力2.94 N、張力4 N。指數(shù)型內(nèi)聚力模型與探針試驗(yàn)所得試驗(yàn)曲線匹配程度最為良好[26]。建立指數(shù)型內(nèi)聚力模型需要確定最大分離應(yīng)力σmax以及特征位移δ0。通過對(duì)探針試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行指數(shù)型CZM擬合，可獲取各個(gè)工藝參數(shù)下的指數(shù)型內(nèi)聚力參數(shù)。應(yīng)力-位移曲線所圍成的面積即分離能G，通過G可獨(dú)立描述黏性的強(qiáng)弱。

圖4 帶張力的探針試驗(yàn)裝置Fig.4 Device for probe test under laying tension

在本實(shí)驗(yàn)室之前的研究中已經(jīng)就探針試驗(yàn)參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系[26]進(jìn)行探究。探針試驗(yàn)參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，其中探針保壓時(shí)間t對(duì)應(yīng)鋪放速率V、探針保持壓力P1對(duì)應(yīng)鋪放壓力P2、探針溫度T1對(duì)應(yīng)鋪放溫度T2。同時(shí)為簡化研究，在本文中探針試驗(yàn)分離速率取100 mm/min。

根據(jù)表1所示，進(jìn)行各個(gè)鋪放工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)下的探針試驗(yàn)，獲取剝離模型所需黏性參數(shù)，使得剝離模型可以仿真不同鋪放參數(shù)下的剝離試驗(yàn)。試驗(yàn)采用單一變量法，在研究某一變量時(shí)其余變量一致且應(yīng)使試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定。探針頭部直徑為5 mm。完成20～40 ℃各溫度下的探針試驗(yàn)，獲取對(duì)應(yīng)的CZM參數(shù)σmax以及δ0，試驗(yàn)擬合結(jié)果及其離散系數(shù)如表2所示，離散系數(shù)(CV)是標(biāo)準(zhǔn)偏差與其均值的比值。探針試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為保壓時(shí)間1.5 s、保持壓力2.94 N、張力4 N(對(duì)應(yīng)鋪放速率20 mm/s、鋪放壓力600 N、鋪放張力4 N)。

圖5 分離過程中應(yīng)力-位移曲線與其擬合的指數(shù)型CZMFig.5 Stress-displacement curves during separation step and fitting exponential CZM

表1 探針試驗(yàn)參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系[26]Table 1 Relationship between probe test parameters andlaying process parameters[26]

t/sV/(mm·s-1)P1/NP2/NT1/℃T2/℃1.5200.98202.520200.75401.9640525250.5602.94607.530300.375803.9381035350.31004.911012.54040

使用砝碼改變張力，完成0～8 N各個(gè)張力下的探針試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為溫度30 ℃、保壓時(shí)間1.5 s、保持壓力2.94 N(對(duì)應(yīng)鋪放速率20 mm/s、鋪放壓力600 N)。使用指數(shù)型CZM對(duì)探針試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，獲取各個(gè)鋪放張力下的黏性參數(shù)。結(jié)果如表3所示。

完成200～1 000 N各個(gè)鋪放壓力下的探針試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為溫度30 ℃、保壓時(shí)間1.5 s、張力4 N(對(duì)應(yīng)鋪放速率20 mm/s、鋪放張力4 N)。使用指數(shù)型CZM對(duì)探針試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，獲取各個(gè)鋪放壓力下的黏性參數(shù)。結(jié)果如表4所示。

表2 不同鋪放溫度下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)Table 2 CZM parameters and coefficients of variationdispersion of prepreg at different laying temperatures

表3不同鋪放張力下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)

Table3CZMparametersandcoefficientofvariationdispersionofprepregunderdifferentlayingtensions

鋪放張力/Nσmax/MPaCV/%δ0/mmCV/%00.099 47.470.102 55.7420.113 23.290.118 74.9540.132 55.570.122 79.6460.149 86.040.130 19.3180.155 48.090.142 110.58

表4 不同鋪放壓力下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)Table 4 CZM parameters and coefficients of variationdispersion of prepreg at different laying pressures

完成20～100 mm/s鋪放速率下的探針試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為溫度30 ℃、保持壓力2.94 N、張力4 N(對(duì)應(yīng)鋪放壓力600 N、鋪放張力4 N)。試驗(yàn)所得CZM參數(shù)如表5所示。

表5不同鋪放速率下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)

Table5CZMparametersandcoefficientsofvariationdispersionofprepregatdifferentlayingvelocities

鋪放速率/(mm·s-1)σmax/MPaCV/%δ0/mmCV/%200.131 13.410.119 84.52400.112 12.680.103 83.58600.092 89.010.098 08.65800.085 66.520.084 07.571000.078 21.350.071 03.02

3.2 純拉伸試驗(yàn)

根據(jù)Lukaszewicz[29]的研究，預(yù)浸料在厚度方向被進(jìn)行短時(shí)間壓縮時(shí)，可視其為正交各向異性的彈塑性材料。在本文中，主要研究預(yù)浸料的彈性及黏性行為，可簡化地視其為正交各向異性的彈塑性材料并忽略其‘塑性’行為，建立此模型需要9個(gè)工程常數(shù)：3個(gè)方向彈性模量E1、E2、E3；3個(gè)泊松比ν12、ν13、ν23；3個(gè)剪切模量G12、G13、G23。1方向?yàn)檠乩w維方向、2和3方向分別為橫向及厚度方向。同時(shí)預(yù)浸料可視為橫觀各向同性材料[20]，即E2=E3、G12=G13，根據(jù)材料力學(xué)公式推導(dǎo)可得式(1):

(1)

考慮到在鋪放溫度(20～50 ℃)下預(yù)浸料中的樹脂呈橡膠固態(tài)(Rubbery State)，此狀態(tài)可視為是不可壓縮態(tài)[30]，由材料力學(xué)可得對(duì)于不可壓縮態(tài)的物體，其泊松比約為0.5。因此在只受樹脂影響不受纖維影響的面內(nèi)(即23面內(nèi))，取泊松比ν23=0.49。根據(jù)現(xiàn)有的研究，E1主要由纖維強(qiáng)度決定，因此假定溫度對(duì)E1的影響可忽略[27]。綜上所述，9個(gè)待測(cè)定的工程常數(shù)中需要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定的為：E1、E3、G12。

通過純拉伸試驗(yàn)測(cè)定1方向的彈性模量E1。制備長450 mm、寬20 mm的預(yù)浸帶試樣，預(yù)浸料厚度為0.11 mm。其中兩端各125 mm用于專用夾具的夾持，試樣的標(biāo)距為200 mm。力加載速率分別設(shè)定為50、100、200 N/s，記錄相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線。

圖6 加載速率分別為50、100、200 N/s的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of tensile tests at load rates of 50, 100, and 200 N/s

3.3 偏軸拉伸試驗(yàn)

目前預(yù)浸料剪切模量(G12)主要由公式計(jì)算和偏軸拉伸試驗(yàn)求得。其中公式計(jì)算需要繁多的預(yù)浸料DMA(Dynamic thermal Mechanical Analysis)測(cè)試數(shù)據(jù)。偏軸拉伸可以直觀的獲取其剪切模量，故普遍使用偏軸拉伸進(jìn)行剪切模量測(cè)量。

但是根據(jù)Potter[31]的研究，偏軸拉伸過程中存在剪切變形與橫向拉伸變形。通過對(duì)比15°、30°、45°、60°偏軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：60°偏軸拉伸時(shí)，變形過程中纖維方向變化超過10%；45°偏軸拉伸時(shí)，變形過程中纖維方向變化超過5%；而15°偏軸拉伸時(shí)，變形過程中纖維方向變化在2%以內(nèi)。故認(rèn)為在45°偏軸拉伸中存在一定量的橫向拉伸變形，而15°偏軸拉伸中的纖維角度變化很小、橫向拉伸行為很小可忽略不計(jì)，認(rèn)為其變形形式為純剪切。同時(shí)也對(duì)本文使用的預(yù)浸料進(jìn)行了5°、15°、45°、60°偏軸拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果也顯示相似的規(guī)律，如圖7所示，15°偏軸拉伸時(shí)角度變化最小。因此本節(jié)采用15°偏軸拉伸試驗(yàn)測(cè)定G12。

制備長150 mm、寬20 mm的預(yù)浸料試樣，試樣厚度為0.11 mm，且保證其纖維方向與長度方向成15°夾角，標(biāo)距長度為25.359 mm，兩端各25 mm 為試驗(yàn)機(jī)夾持長度。

圖7 試樣在試驗(yàn)前后的幾何特性Fig.7 Specimen geometry of the off-axis tensile test piece prior to and during test

通過使用紅外加熱燈對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行加熱，分別在溫度20～40 ℃下對(duì)試樣進(jìn)行15°偏軸拉伸試驗(yàn)。同時(shí)由于樹脂是率相關(guān)材料，故試驗(yàn)的拉伸速率簡化地采取和剝離速率以及探針試驗(yàn)分離速率一樣的100 mm/min。在設(shè)定的溫度下進(jìn)行15°偏軸拉伸，直至試樣破壞失效。如上文所述，所得偏軸拉伸模量可視為剪切模量G12。試驗(yàn)結(jié)果顯示隨著溫度上升，剪切模量也隨之下降，每5 ℃ 剪切模量下降約13%，如圖8所示。

圖8 不同溫度下的15°偏軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of 15° off-axis tensile test at different temperatures

3.4 壓縮試驗(yàn)

采用沿厚度方向的壓縮試驗(yàn)測(cè)定E3。測(cè)量單層預(yù)浸料E3存在難度，故準(zhǔn)備長20 mm、寬20 mm 并且8層鋪放(總厚度1 mm)的預(yù)浸料試樣。制備預(yù)浸料試樣均采用0°鋪放，并且在室溫20 ℃和一個(gè)大氣壓下保壓1 h以消除鋪層帶來的厚度誤差。壓縮試驗(yàn)使用的壓具和底盤均裝有加熱裝置，通過硅加熱墊片進(jìn)行溫度控制。

試驗(yàn)裝置如圖9所示，加載的速率為100 mm/min，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線。使用Ludwik’s等式[32]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，如式(2)所示，得到最大彈性應(yīng)力為

(2)

式中：σ為真實(shí)應(yīng)力；εp為應(yīng)變；σy為最大彈性應(yīng)力；A和m為與材料相關(guān)的獨(dú)立參數(shù)。

現(xiàn)有的研究表明，在壓縮時(shí)間很短時(shí)，預(yù)浸料表現(xiàn)彈性行為[29]，故在最大彈性應(yīng)力σy之前可視預(yù)浸料變現(xiàn)出彈性行為，計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果中σy之前的彈性模量，視為厚度方向模量E3，擬合結(jié)果所得σy以及試驗(yàn)計(jì)算E3結(jié)果如圖10所示。

綜上所述，通過試驗(yàn)得到了預(yù)浸料的主要力學(xué)材料參數(shù)：E1、E3、G12。根據(jù)Beakou和Mohamed的研究[33]，12方向的泊松比可通過Puck公式進(jìn)行推導(dǎo)，得到ν12=0.286，同時(shí)視預(yù)浸料為橫觀各向同性材料，故ν12=ν13=0.286。故通過試驗(yàn)以及計(jì)算得到的預(yù)浸料材料參數(shù)如表6所示。

圖9 壓縮試驗(yàn)裝置Fig.9 Device for prepreg compaction test

圖10 不同溫度下壓縮試驗(yàn)結(jié)果及擬合最大彈性應(yīng)力Fig.10 Compaction test results and the fitting σy at different temperatures

表6 不同溫度下的預(yù)浸料材料參數(shù)Table 6 Properties of prepreg at various temperatures

溫度/℃E1/GPaE2=E3/MPaG12=G13/MPaG23/MPaν12=ν13ν232011.557.423.85258.425.972.813052.337.125.252.730.2860.49351.294.450.43400.263.970.087

4 剝離模型仿真與試驗(yàn)對(duì)比及分析

4.1 剝離試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

如圖11所示為典型的剝離仿真結(jié)果，可得在剝離過程中，預(yù)浸料從與CZM單元脫粘處至已剝離段均有較大應(yīng)力，且應(yīng)力值大致相同。脫粘處CZM單元拉伸至單元?jiǎng)h除，且受拉伸的CZM單元主要的變形方向?yàn)榉ㄏ?，切向的變形相較于法向可忽略不計(jì)，這驗(yàn)證了于第1節(jié)建模過程中忽略90°剝離中CZM單元的切向行為是正確的。

進(jìn)行各個(gè)工藝參數(shù)下的剝離試驗(yàn)，對(duì)比仿真和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在10 mm剝離導(dǎo)輥下的剝離試驗(yàn)與剝離仿真結(jié)果如圖12所示，剝離試驗(yàn)參數(shù)為30 ℃鋪放溫度、4 N鋪放張力、600 N鋪放壓力、20 mm/s鋪放速率，剝離仿真模型的材料參數(shù)以及黏性參數(shù)均與剝離試驗(yàn)參數(shù)對(duì)應(yīng)。

如圖12所示，典型的試驗(yàn)結(jié)果顯示從剛度階段(Stiffness Distance)到黏性與剛度階段(Peel Distance)，剝離力有明顯的上升，對(duì)應(yīng)的FEM仿真結(jié)果也顯示出相近的曲線。由試驗(yàn)方案可知，剛度階段試驗(yàn)值為剛度的表征力值，黏性與剛度階段試驗(yàn)值為剛度與黏性力剝離力值相加。兩階段相減，其值則為黏性的表征力值。

圖11 在35 ℃鋪放溫度、20 mm/s鋪放速度、 600 N鋪放壓力、0 N張力下的典型的 10 mm導(dǎo)輥剝離仿真云圖Fig.11 FEM results of typical 10 mm peel roller peel test at 35 ℃, 20 mm/s lay-up velocity, 600 N compaction force, and 0 N lay-up tension

圖12 在30 ℃鋪放溫度、20 mm/s鋪放速率、 600 N鋪放壓力、4 N張力下典型的 10 mm導(dǎo)輥剝離結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.12 Typical 10 mm peel roller experimental peel forces and the FEM peel forces at 30 ℃, 20 mm/s lay-up velocity, 600 N compaction force, and 4 N tension force

試驗(yàn)的兩個(gè)階段結(jié)果均來自其剝離力平均值,通過計(jì)算可以得到單個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差σs與組間標(biāo)準(zhǔn)偏差σb。σs、σb分別體現(xiàn)了單個(gè)剝離試驗(yàn)和重復(fù)試驗(yàn)的穩(wěn)定性。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，剝離試驗(yàn)結(jié)果采取單體離散系數(shù)和組間離散系數(shù)均在20%以內(nèi)的數(shù)據(jù)。

由圖12可知，剝離試驗(yàn)的組間可重復(fù)性良好，且組內(nèi)的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，沒有劇烈的峰值出現(xiàn)。組內(nèi)、組間離散系數(shù)均在20%以內(nèi)，相比現(xiàn)有的剝離試驗(yàn)裝置結(jié)果[18]更加平穩(wěn),并且在剝離力值較小時(shí)結(jié)果依然穩(wěn)定。

4.2 鋪放工藝參數(shù)分析

溫度對(duì)預(yù)浸料黏性有較大影響，同時(shí)影響預(yù)浸料的鋪覆性[34]。完成各溫度下的剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為鋪放張力4 N、鋪放速度20 mm/s、鋪放壓力600 N、溫度區(qū)間為20～40 ℃。對(duì)剝離模型分別輸入相應(yīng)參數(shù)。剝離試驗(yàn)及仿真黏性、剛度結(jié)果如圖13所示，其中?10 mm TEST表示使用直徑10 mm剝離導(dǎo)輥所得剝離數(shù)據(jù)，?20 mm TEST則使用直徑20 mm剝離導(dǎo)輥。

由圖13可知，隨著溫度上升，預(yù)浸料的剛度下降，除30～35 ℃時(shí)剛度下降約35%,其余每增加5 ℃剛度值下降約25%。剛度值隨溫度上升而下降主要是由于纖維軟化和樹脂流動(dòng)性增強(qiáng)。仿真與試驗(yàn)吻合程度較好，但隨著溫度增加其仿真數(shù)值相比試驗(yàn)值偏小，這主要是由于高溫剝離試驗(yàn)中離開模具板的預(yù)浸料樹脂溫度急速下降導(dǎo)致剛度試驗(yàn)值偏大。

黏性值先上升后下降在30 ℃左右達(dá)到峰值。黏性值隨溫度上升先增大后減小主要是由于失效形式從界面失效轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)聚失效[26]，當(dāng)失效形式為界面失效時(shí)，溫度的增加會(huì)提高界面樹脂浸潤程度，從而使黏性隨溫度上升而上升。當(dāng)失效形式為內(nèi)聚失效時(shí)，溫度的增加會(huì)減低樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)度，從而使黏性隨溫度上升而下降。

隨著導(dǎo)輥直徑變大，黏性剝離力增大，剛度值減小。這主要由于預(yù)浸料隨著導(dǎo)輥半徑變大其彎曲程度變小以及剝離區(qū)域增大。在各溫度下試驗(yàn)所得剛度值及黏性值與仿真結(jié)果均吻合良好，但在20 mm剝離導(dǎo)輥下仿真黏性值與試驗(yàn)值有一定偏差，同時(shí)對(duì)10 mm導(dǎo)輥下的仿真黏性值與試驗(yàn)值在30 ℃時(shí)也有偏差，均為仿真值偏大。

預(yù)浸料的剛度值可視為主要與溫度有關(guān)，故在研究鋪放張力、鋪放壓力、鋪放速率仿真時(shí)不再重復(fù)表述剛度的仿真結(jié)果。

目前鮮有對(duì)鋪放張力與黏性的定量研究，大部分研究均停留在定性的分析其與鋪放質(zhì)量上。如趙聰?shù)萚35]的研究表明，鋪放張力對(duì)預(yù)浸料鋪放質(zhì)量與送絲質(zhì)量都有很顯著的影響。故需要對(duì)其與黏性的關(guān)系進(jìn)行定量的試驗(yàn)。通過對(duì)自動(dòng)鋪放試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，引入鋪放張力這一重要工藝參數(shù)。設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)為溫度30 ℃、鋪放壓力600 N、鋪放速率20 mm/s。參照目前自動(dòng)鋪絲機(jī)的張力區(qū)間，設(shè)置0～8 N的鋪放張力。同時(shí)對(duì)模型輸入對(duì)應(yīng)的CZM參數(shù)。試驗(yàn)與仿真結(jié)果如圖14所示。

圖13 不同溫度下剝離試驗(yàn)與仿真結(jié)果Fig.13 Peel test and simulation results at different temperatures

由圖14可知，試驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明隨鋪放張力增大其黏性增大，但隨著張力逐漸增大，黏性增大的幅度減小。可見張力對(duì)黏性的增強(qiáng)為有限的。適當(dāng)?shù)膹埩梢允诡A(yù)浸料表面平整，增強(qiáng)樹脂與模具之間的浸潤效果。各鋪放張力下的仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好，但隨著張力的增大，兩者的吻合程度逐漸變差。預(yù)浸料剛度值變化不大。

鋪放壓力不僅影響預(yù)浸料的變形，且對(duì)其黏性也有較大影響。設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)為溫度30 ℃，鋪放張力4 N、鋪放速率20 mm/s。結(jié)合具體的自動(dòng)鋪放壓力選擇壓力區(qū)間為200～1 000 N，完成各鋪放壓力下的剝離試驗(yàn)。對(duì)模型輸入對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件的參數(shù)，試驗(yàn)及仿真結(jié)果如圖15所示。

由圖15可知，試驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明隨鋪放壓力增大其黏性增大，每增加200 N鋪放壓力，黏性力增加約0.25 N。這主要由于壓力增大導(dǎo)致樹脂擠出與模具接觸面積變大，使得黏性變大。預(yù)浸料剛度值變化不大。各鋪放壓力下的仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好，但隨著壓力的增大，兩者的吻合程度逐漸變差。

鋪放速率也是重要的自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為30 ℃、鋪放張力4 N、鋪放壓力為600 N、鋪放速率研究區(qū)間為20～100 mm/s。完成各鋪放速率下的剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)及仿真結(jié)果如圖16所示。隨著鋪放速率增大黏性值逐漸降低，每增加20 mm/s鋪放速率，黏性值下降約0.2 N。鋪放速率越快，其壓力作用在樹脂與模具之間的時(shí)間越短，故浸潤效果越差，黏性越小。仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，且隨著鋪放速率減小兩者吻合程度逐漸變差。

圖14 不同鋪放張力下剝離試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.14 Peel test and simulation results at different laying tensions

圖15 不同鋪放壓力下剝離試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.15 Peel test and simulation results at different laying pressures

如圖13～圖16所示，在各工藝參數(shù)下剝離仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度良好，驗(yàn)證了剝離模型的準(zhǔn)確性，支持了試驗(yàn)獲取的材料參數(shù)及CZM參數(shù)的可靠性，也表明了通過預(yù)浸料剝離模型及內(nèi)聚力模型聯(lián)系探針和剝離試驗(yàn)的方法是可行的。構(gòu)建了探針與剝離相結(jié)合的預(yù)浸料鋪放適宜性測(cè)試系統(tǒng)。建立了準(zhǔn)確的預(yù)浸料剝離模型，為剝離、自動(dòng)鋪放仿真提供了參考。

圖16 不同鋪放速率下剝離試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.16 Peel test and simulation results at different laying velocities

4.3 脫輥現(xiàn)象

對(duì)比剝離試驗(yàn)與仿真結(jié)果可得在大部分工藝參數(shù)下，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度良好。但當(dāng)預(yù)浸料黏性值較大時(shí)仿真結(jié)果與試驗(yàn)值有偏差，此時(shí)仿真結(jié)果偏大。通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，仿真黏性剝離力的偏差主要來源于脫輥(Deviation in Bending Radius)現(xiàn)象[18]。

脫輥現(xiàn)象是指剝離過程中，由于預(yù)浸料與剝離底板黏性過大，剝離區(qū)域半徑R0與剝離導(dǎo)輥半徑R有較大偏差的現(xiàn)象。如圖17所示，在鋪放溫度30 ℃時(shí)，預(yù)浸料黏性較大，脫輥現(xiàn)象較為明顯。此外相較于直徑10 mm導(dǎo)輥，直徑20 mm導(dǎo)輥剝離過程中發(fā)生的脫輥現(xiàn)象更為明顯。仿真結(jié)果也出現(xiàn)了相應(yīng)的脫輥現(xiàn)象，但由于設(shè)置預(yù)浸料上升與底板前進(jìn)速率相等，所以脫輥程度較試驗(yàn)脫輥程度小。

在剝離試驗(yàn)中發(fā)生脫輥現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致剝離試驗(yàn)中剝離段Ⅰ、Ⅱ的剛度剝離力不一致，使得通過兩個(gè)階段相減得到的黏性剝離力不真實(shí)。所以當(dāng)脫輥現(xiàn)象較為明顯時(shí)，黏性測(cè)量值不再準(zhǔn)確。誤差的大小可以通過空隙面積S表征，如圖18所示。

脫輥空隙面積S與剝離導(dǎo)輥半徑R的關(guān)系如式(3)所示。

(3)

圖17 剝離試驗(yàn)及仿真中的脫輥現(xiàn)象Fig.17 Release of peel roller during peel test and simulation

圖18 脫輥現(xiàn)象的幾何學(xué)分析Fig.18 Geometry analysis of release of peel roller

式中：R為剝離導(dǎo)輥半徑；R0為剝離區(qū)域半徑；S為脫輥空隙面積。

通過式(3)可以發(fā)現(xiàn)，空隙面積S隨剝離導(dǎo)輥半徑R增大而上升。剝離區(qū)域半徑R0由預(yù)浸料以及試驗(yàn)參數(shù)決定。通過減小剝離導(dǎo)輥半徑R可以降低S，從而減小脫輥程度。從圖17可觀察到，10 mm導(dǎo)輥剝離試驗(yàn)中脫輥的程度小于20 mm 導(dǎo)輥試驗(yàn)，證明減小導(dǎo)輥半徑可減輕脫輥程度。但是當(dāng)剝離導(dǎo)輥過小時(shí)(小于R0時(shí))，則無法對(duì)剝離半徑區(qū)域起到約束作用，故合理的剝離導(dǎo)輥半徑應(yīng)是在大于或等于R0，即R≥R0。

在剝離試驗(yàn)中工藝參數(shù)變化會(huì)引起黏性變化，此時(shí)由預(yù)浸料自身決定的剝離區(qū)域半徑R0也會(huì)隨之變化，變化區(qū)間為R0min～R0max。為了約束剝離區(qū)域半徑，應(yīng)使R≥R0max，再出于降低脫輥空隙面積S考慮，導(dǎo)輥半徑R應(yīng)最小。故合理的剝離導(dǎo)輥半徑應(yīng)為R=R0max。

通過剝離仿真模型，輸入各參數(shù)下的材料及黏性參數(shù)，得到無導(dǎo)輥的預(yù)浸料最大剝離區(qū)域曲率半徑R0max，此半徑即為導(dǎo)輥的合理半徑。對(duì)本文使用的預(yù)浸料，通過仿真得到各參數(shù)下無導(dǎo)輥剝離半徑，在黏性最低的40 ℃時(shí)有最大的剝離區(qū)域曲率半徑為3～7 mm。本試驗(yàn)使用的直徑10 mm導(dǎo)輥尺寸在合理半徑范圍內(nèi)，相較于不合理的直徑20 mm導(dǎo)輥其脫輥現(xiàn)象明顯減弱。故選取合理剝離導(dǎo)輥尺寸，可提高剝離試驗(yàn)精度、準(zhǔn)確測(cè)定黏性剝離力，具有一定的工程實(shí)際意義。

5 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)改進(jìn)了適用于自動(dòng)鋪放條件下預(yù)浸料與模具之間動(dòng)態(tài)剛度、黏性測(cè)定的剝離試驗(yàn)裝置。利用此裝置測(cè)定了預(yù)浸料動(dòng)態(tài)剛度、黏性隨工藝參數(shù)包括溫度、鋪放張力、鋪放速率、鋪放壓力的變化規(guī)律。結(jié)合探針試驗(yàn)構(gòu)建了探針與剝離相結(jié)合的預(yù)浸料鋪放適宜性測(cè)試系統(tǒng)。

2) 通過拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、探針試驗(yàn)測(cè)得了預(yù)浸料的材料及CZM參數(shù)，據(jù)此建立了預(yù)浸料的剝離仿真模型，揭示了探針試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)的內(nèi)在聯(lián)系，并與剝離試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者在剛度以及黏性剝離力值上均吻合良好，差異均在20%以內(nèi)，驗(yàn)證了通過材料屬性試驗(yàn)及探針試驗(yàn)建立的預(yù)浸料模型是精準(zhǔn)、可靠的。

3) 剝離試驗(yàn)中預(yù)浸料剛度隨剝離導(dǎo)輥尺寸增大而下降，隨著導(dǎo)輥直徑從10 mm到20 mm下降了40%；隨溫度增加，剛度值下降，除30～35 ℃時(shí)剛度下降約35%,其余溫度每增加5 ℃剛度值下降約25%；隨鋪放張力、鋪放壓力及鋪放速率改變變化不明顯。

4) 剝離試驗(yàn)中預(yù)浸料黏性隨剝離導(dǎo)輥尺寸增大而增加，隨溫度上升先增加后減小，在30 ℃左右時(shí)達(dá)到峰值；隨鋪放張力增加而增加，在張力0～6 N之間，每增加2 N張力，黏性值增加約0.23 N。但當(dāng)鋪放張力達(dá)到較大值時(shí)，黏性增加的幅度減小。隨鋪放壓力增加而增加，每增加200 N鋪放壓力，黏性值增加約0.25 N；隨鋪放速率增大而減小，每增加20 mm/s鋪放速率，黏性值減小約0.2 N。

5) 解釋并探究了剝離試驗(yàn)中普遍存在的脫輥現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)其在預(yù)浸料黏性值越大時(shí)越易出現(xiàn)，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，給出了剝離試驗(yàn)中導(dǎo)輥合理尺寸的計(jì)算途徑，計(jì)算得到了USN12500/7901預(yù)浸料的剝離導(dǎo)輥合理直徑范圍為6～14 mm，提高了剝離試驗(yàn)的精確性。