鋪絲成形復合材料格柵筋條的纖維形態(tài)與彎曲性能評價

趙 聰 肖 軍 周來水 安魯陵

1南京航空航天大學機電學院，南京，2100162南京航空航天大學材料科學與技術學院，南京，210016

0 引言

先進復合材料格柵結構作為復合材料先進結構形式之一，具有優(yōu)異的結構穩(wěn)定性、抗損傷能力、高損傷容限以及出色的結構減重效益，在航空航天飛行器級間段、承力筒中應用廣泛[1-3]。隨著先進復合材料應用領域不斷拓寬、航空航天器起飛質量不斷增大、續(xù)航距離不斷提高，傳統(tǒng)復合材料格柵結構已然無法滿足越發(fā)嚴苛的性能要求和輕量化要求。進一步減輕結構件質量，提高結構件的承力性能，研發(fā)具有更高承載效率的新一代復合材料格柵結構具有重要理論和工程應用意義。

目前，關于曲線化格柵結構的研究多集中于多種載荷作用下宏觀結構的承載性能預測及非線性行為方面[4-6]，繼而從理論角度建立起曲線化格柵結構宏觀結構參數(shù)(格柵取向、格柵密度、格柵高度及格柵厚度)和最終結構性能的關聯(lián)[7-10]。受曲線化格柵幾何特點的約束，結構中通常存在纖維屈曲缺陷。與傳統(tǒng)直線型格柵結構類似，相交的曲線化網(wǎng)格筋同樣會在交叉節(jié)點處產(chǎn)生材料堆積，引起厚度的變化，導致纖維面外屈曲的產(chǎn)生[11-13]。現(xiàn)有研究表明，纖維屈曲的存在會導致復合材料性能顯著下降，且對壓縮性能的影響更為顯著[14-18]。這也是格柵結構在壓縮/壓剪載荷工況作用下，起始損傷和最終失效位置往往集中于格柵交叉節(jié)點區(qū)域的原因[19]。然而，現(xiàn)有通過組合模具工藝結合纖維纏繞成形工藝，進而實現(xiàn)傳統(tǒng)直線型復合材料格柵結構的成形工藝[20-22]，無法避免格柵節(jié)點處纖維的堆積。

近年來，快速發(fā)展的自動鋪絲成形工藝(automated fibre placement，AFP)可實現(xiàn)對鋪放材料的夾持、剪斷和重送，理論上可以避免格柵節(jié)點處材料的堆積、減小纖維屈曲程度。加拿大ICCI公司和荷蘭宇航中心已率先開展了自動鋪絲成形技術對復合材料格柵結構的成形適應性研究，結果發(fā)現(xiàn)自動鋪絲成形工藝在格柵節(jié)點尺寸控制以及筋條-蒙皮結合質量等方面體現(xiàn)出了其他成形工藝無法比擬的優(yōu)越性[23-25]。

本文基于自動鋪絲成形工藝特點，提出復材格柵筋條節(jié)點處纖維形態(tài)改善方法，驗證“剪斷-續(xù)鋪”法引入的非連續(xù)鋪層對節(jié)點纖維形態(tài)改善的可行性。在此基礎上，結合復合材料格柵結構常見的服役條件，從簡化試驗流程的角度出發(fā)，選取彎曲承載性能，通過試驗和仿真手段研究非連續(xù)鋪層對格柵筋條彎曲載荷作用下失效行為的影響，確定格柵結構最優(yōu)非連續(xù)鋪層的含量和分布。

1 復合材料格柵筋條自動鋪絲成形

1.1 原理

如圖1所示，在自動鋪絲成形過程中可以對鋪放材料進行夾持—剪斷—續(xù)鋪操作。這意味著在進行格柵筋條鋪放過程中，可以在節(jié)點前將預浸絲束剪斷而在節(jié)點后對預浸絲束進行重送，避免節(jié)點處預浸絲束的重疊，減小纖維面外屈曲尺度，提高筋條力學性能；另一方面，夾持—剪斷—續(xù)鋪引入的非連續(xù)層，必然引起結構力學性能下降。

(a) 無剪斷—夾持—續(xù)鋪操作

1.2 試樣制備

選用恒神股份有限公司提供的EM118/A10型預浸料為原料，纖維體積分數(shù)為63%，單層名義厚度為0.15 mm。以南京航空航天大學自行研制的格柵鋪絲機為試驗平臺，制備含不同非連續(xù)鋪層比例和分布方式的復合材料格柵筋條，如圖2所示。為了保證筋條上下層之間良好的鋪放粘接質量，基于前期鋪放工藝參數(shù)優(yōu)化試驗結果，本文在進行不同類型格柵筋條鋪放過程中采用相同的鋪放工藝參數(shù)：鋪放壓實力500 N、鋪放速率200 mm/min、預浸料表面加熱溫度30 ℃。

(a) 自動鋪絲試驗平臺 (b) 格柵筋條尺寸示意圖圖2 復合材料格柵筋條自動鋪絲成形Fig.2 Manufacture of grid stiffeners via AFP

為了研究非連續(xù)層含量和分布對格柵節(jié)點處纖維屈曲尺度的影響，設計了8種不同類型格柵筋條并采用如下命名方式：AGS-R-U/T/C/B。其中AGS(advanced grid stiffener)代表先進格柵筋條；R為筋條節(jié)點處非連續(xù)層的含量；U、T、C、B分別代表非連續(xù)鋪層在格柵節(jié)點厚度方向的分布方式，U為均勻分布，T代表頂部區(qū)域集中分布，C代表中部區(qū)域集中分布，B代表底部區(qū)域集中分布。AGS-25-T代表非連續(xù)層在節(jié)點處鋪層的含量為25%且非連續(xù)鋪層集中分布于頂部區(qū)域內的格柵筋條。不同類型格柵筋條節(jié)點厚度與橫截面形態(tài)見圖3。從圖3中可以看出，格柵筋條節(jié)點厚度Tint受非連續(xù)鋪層含量影響顯著，而集中式分布的非連續(xù)鋪層則會顯著改變格柵節(jié)點處纖維的細觀形態(tài)。

(a) 屈曲表征 (b) AGS-Baseline (c) AGS-12.5-U

2 非連續(xù)鋪層對格柵節(jié)點纖維形態(tài)的影響

2.1 格柵節(jié)點纖維形態(tài)表征與描述

為了簡化模型，通常將圖3a所示的波浪起伏式分布的面內屈曲纖維近似為振幅為A、波長為L的正弦函數(shù)曲線[26-28]。纖維屈曲尺度可以利用最大振幅波長比λ=A/L和最大纖維偏轉角θ描述，振幅波長比越大，最大纖維偏轉角也就越大，纖維面外屈曲尺度也就越大。

2.2 非連續(xù)鋪層含量的影響

利用Leica DVM5000型光學顯微鏡對含不同非連續(xù)鋪層含量的格柵節(jié)點纖維形態(tài)進行顯微觀察，結果如圖3b～圖3f所示。隨著格柵節(jié)點處引入的非連續(xù)鋪層增加，節(jié)點處材料堆積程度越小，纖維屈曲尺度也就越小。進一步測量各筋條節(jié)點處面外屈曲纖維的最大振幅波長比λ、最大纖維偏轉角θ和振幅或節(jié)點-筋條厚度差A，結果如表1所示。

表1 非連續(xù)鋪層對節(jié)點纖維屈曲尺度的影響

顯然，節(jié)點纖維屈曲尺度與節(jié)點-筋條厚度差A顯著相關。隨著格柵節(jié)點處非連續(xù)鋪層含量的增加，節(jié)點-筋條厚度差迅速減小。非連續(xù)鋪層含量達到50%時，節(jié)點-筋條厚度差為零，纖維屈曲也被消除。格柵筋條-節(jié)點厚度差與纖維面外屈曲的最大振幅波長比之間的關系擬合式為

λ=0.0312A+0.0002

(1)

后續(xù)可以利用該公式對其他類型格柵節(jié)點處纖維面外屈曲尺度進行預測。

2.3 非連續(xù)鋪層分布的影響

對比含相同含量、不同分布方式非連續(xù)鋪層的格柵節(jié)點截面顯微圖(圖3d、圖3h～圖3j)發(fā)現(xiàn)，格柵筋條中非連續(xù)鋪層含量一定，則節(jié)點最大纖維屈曲尺度不變,但非連續(xù)鋪層分布變化會引起節(jié)點處微觀疊層結構的差異，必將引起格柵筋條在載荷作用下的力學行為。因此，需進行實際性能測試，深入研究非連續(xù)鋪層對格柵力學行為的影響規(guī)律。

3 非連續(xù)鋪層對格柵筋條抗彎性能的影響

3.1 非連續(xù)鋪層含量的影響

參照GB/T 3356—2014，利用SANS CMT-5504型萬能試驗機對上述不同類型格柵筋條進行三點彎曲測試。其中，加載頭半徑5 mm，支座半徑3 mm，支座跨距80 mm。所得載荷位移曲線見圖4a。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，格柵筋條在彎曲失效過程中并沒有呈現(xiàn)復合材料的脆性突然失效行為，而是呈現(xiàn)了與金屬等韌性材料類似的偽韌性斷裂行為。偽韌性行為可以利用偽韌性位移進行表征，即載荷位移曲線中極限載荷對應位移到載荷下降率大于50%(判定試驗結束)的對應位移差，如圖4b所示。偽韌性位移越大，偽韌性行為越明顯。

(a) 含不同非連續(xù)鋪層含量的筋條彎曲載荷位移曲線

綜上所述，為全面研究非連續(xù)鋪層引入對格柵失效行為的影響，定義承載能力保持率RS和偽韌性位移占比RP。其中，承載能力保持率RS為剩余彎曲載荷FR和極限彎曲載荷FM的比值，而偽韌性位移占比則為極限彎曲載荷至完全失效過程中經(jīng)歷的偽韌性階段位移DP與完全失效位移DF之間的比值。承載能力保持率越大、偽韌性位移占比越高，偽韌性行為越明顯。

隨著非連續(xù)鋪層含量的不斷增加，筋條-節(jié)點厚度差逐漸減小，節(jié)點處纖維形態(tài)不斷改善，格柵筋條承載性能不斷提高；然而隨著非連續(xù)鋪層含量的進一步增加，格柵筋條承力路徑中斷程度也不斷增加，性能開始下降。當這兩種影響達到平衡時，格柵筋條的彎曲性能達到最大值。兩種影響的共同作用使格柵筋條極限彎曲載荷隨非連續(xù)鋪層含量的增加而先上升后下降，如圖5a所示。此外，非連續(xù)鋪層含量還對格柵筋條彎曲載荷作用下的偽韌性行為產(chǎn)生影響，如圖5b所示，在非連續(xù)鋪層在格柵節(jié)點厚度方向上均勻分布的前提下，當非連續(xù)鋪層含量達到50%時，格柵筋條的承載能力保持率達到最大，而格柵筋條彎曲載荷作用下偽韌性行為則在非連續(xù)鋪層含量為25%時最為顯著。

(a) 對筋條極限彎曲載荷的影響

綜合非連續(xù)鋪層含量對筋條彎曲極限載荷、承載能力保持率和偽韌性行為顯著性的影響，當非連續(xù)鋪層在筋條厚度方向均勻分布時，非連續(xù)鋪層含量為25%時最優(yōu)。

3.2 非連續(xù)鋪層分布的影響

在確定了最優(yōu)非連續(xù)鋪層含量的情況下，通過試驗的方法進一步研究非連續(xù)鋪層分布方式對格柵筋條抗彎能力的影響，結果如圖6所示。

(a) 對筋條極限彎曲載荷的影響

非連續(xù)鋪層分布方式顯著影響格柵筋條的彎曲承載能力。當非連續(xù)鋪層呈底部集中分布(AGS-25-B)時，雖然實現(xiàn)了極限承載能力最大化，但其偽韌性行為可以忽略，呈現(xiàn)脆性行為；當非連續(xù)鋪呈頂部集中分布(AGS-25-T)時，格柵筋條既可以獲得相當?shù)臉O限承載能力，也可以獲得最為顯著的韌性行為，這種高韌性往往是復合材料結構特別是主承力結構所追求的特性，可防止整個結構突然失效，避免重大損失。

4 含非連續(xù)鋪層格柵筋條彎曲失效行為

4.1 有限元仿真模型的建立

以ABAQUS 2020為平臺，采用“ply to ply”建模方法，結合實際筋條幾何尺寸和測試條件，建立包含纖維屈曲和非連續(xù)鋪層的三維格柵筋條有限元仿真模型(圖7)。模型中，支撐端和加載壓頭視為剛體，支撐端施加固定約束，而加載壓頭施加10mm的下降位移。支撐端、加載壓頭與試樣接觸面定義為硬接觸，摩擦因數(shù)為0.3。鋪層單元類型為SC8R連續(xù)殼單元。鋪層間插入0厚度、網(wǎng)格類型為COH3D8的cohesive單元以表征試樣內部分層起始與演化。

(a) 網(wǎng)格劃分

采用Hashin失效準則[29]對復合材料的失效行為進行預測。該失效準則中，復合材料的失效模式包含纖維拉伸失效、纖維壓縮失效、樹脂拉伸失效和樹脂壓縮失效，各失效模式對應的失效應力計算公式如下：

纖維拉伸失效應力

(2)

纖維壓縮失效應力

(3)

基體拉伸失效應力

(4)

基體壓縮失效應力

(5)

式中，XT、XC分別為平行于纖維排布方向上的最終失效拉伸和壓縮應力；YT、YC分別為垂直于纖維排布方向上的最終失效拉伸和壓縮應力；SL、ST分別為纖維縱向和橫向的剪切失效應力；α為剪切應力對纖維拉伸行為的影響因子，此處取α=1[30-31]；σ11、σ22、τ12為各個方向上的應力分量。

滿足上述任何一個失效條件，則判定材料失效。

選用層間拉伸分離定律和混合失效模式對層間失效的起始和擴展進行分析。拉伸分離后材料呈現(xiàn)雙線性特性直至拉伸剛度退化至0，分層損傷起始可以根據(jù)混合模式下的二次應力準則進行判斷：

(6)

整個單元的失效則可以利用能量準則進行表征：

(7)

式中，Gn、Gs、Gt分別為所用材料的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型斷裂能；GⅠC、GⅡC、GⅢC分別為對應斷裂模式下的斷裂韌性/臨界斷裂能。

一旦層間應力滿足式(6)，則層間內聚單元性能開始退化直至自動刪除。相關材料性能參數(shù)和層間性能參數(shù)詳見表2。

表2 EM118/A10型預浸料力學性能參數(shù)

4.2 非連續(xù)鋪層含量對格柵筋條彎曲失效行為的影響

仿真和試驗所得筋條彎曲載荷位移曲線與極限彎曲載荷的對比如圖8所示。為了提高建模速度和后期計算效率，在進行有限元建模時，將格柵筋條-節(jié)點過渡區(qū)內實際呈曲線狀態(tài)的纖維進行了直線化處理，同時忽略了橫向鋪層和縱向鋪層間的微小富樹脂區(qū)。上述原因造成了仿真結果和試驗結果之間的偏差，如圖8a所示。經(jīng)過深入對比可知(圖8b)，對不同類型的格柵筋條來說，仿真所得極限彎曲載荷與試驗結果偏差均小于8%，證明了仿真模型的可靠性，相關筋條彎曲載荷作用下的失效行為可以采用該有限元模型進行分析。

(a) 載荷位移曲線對比

利用所建立的仿真模型，對含不同非連續(xù)鋪層含量筋條彎曲載荷作用下的力學行為進行研究，結果見圖9。對于不含非連續(xù)鋪層的筋條(圖9a)，在彎曲載荷作用下，筋條底部纖維率先在拉應力作用下發(fā)生拉伸失效；隨著載荷的逐漸增加，節(jié)點處連續(xù)鋪層間發(fā)生分層損傷并發(fā)生橫向擴展；與此同時，上表面鋪層壓縮應力顯著增加，且纖維屈曲尺度越大，壓縮應力越大，引起格柵結構的壓縮失效；鋪層偏轉角度越大，層間剪切應力也就越大，使得在較低載荷水平便會引起分層，極大程度上降低了格柵筋條的極限承載能力。因此，在格柵筋條的設計和制造過程中，應盡可能地減小格柵筋條節(jié)點處纖維屈曲偏轉角或鋪層偏轉角，以保證最終結構良好的性能。

(a) AGS-Baseline

當格柵筋條節(jié)點處非連續(xù)鋪層占比達到25%時，筋條表現(xiàn)出更為顯著的彎曲韌性行為，格柵筋條可以維持其極限載荷85%的承載能力，且偽韌性位移占整個失效位移的53%(圖9b)。彎曲載荷作用下，格柵筋條頂部區(qū)域受壓，底部區(qū)域受拉。隨著彎曲載荷不斷地增加，頂部區(qū)域內壓縮應力顯著增加，引起了頂部區(qū)域內分層失效和樹脂壓縮失效，導致載荷-位移曲線陡然下降；而分層后的非連續(xù)纖維在彎曲載荷的作用下產(chǎn)生滑移，并將彎曲載荷向下傳遞，載荷可以由尚未失效的區(qū)域繼續(xù)承擔；與此同時，分層沿格柵長度方向上不斷擴展，非連續(xù)鋪層繼續(xù)滑移，維持一定的承載能力，從而表現(xiàn)出了韌性行為；當承載區(qū)域內部應力超過失效應力時，承載區(qū)域內纖維或樹脂失效、裂紋迅速擴展，導致承載區(qū)域部分或全部突然失效，表現(xiàn)為載荷位移曲線的陡降。其他含均勻分布的非連續(xù)鋪層格柵筋條也呈現(xiàn)了類似的失效行為。

非連續(xù)鋪層的引入不僅可以改善格柵筋條節(jié)點處纖維形態(tài)，提高格柵筋條的極限承載能力，同時，利用非連續(xù)鋪層和連續(xù)鋪層間的滑移[32]，也能夠實現(xiàn)格柵筋條失效行為的改善，完成具有韌性失效行為的復合材料格柵筋條的制造。

4.3 非連續(xù)鋪層分布對格柵筋條彎曲失效行為的影響

如前所述，非連續(xù)鋪層分布雖然對格柵筋條內部最大的纖維屈曲尺度無影響，但會在其內部引入不同的微觀疊層結構，從而影響格柵筋條的失效行為。同理，對比分析非連續(xù)鋪層分布方式不同時筋條的失效行為，結果如圖10所示。

(a) AGS-25-B

對于非連續(xù)鋪層底部集中分布的筋條(AGS-25-B，圖10a)，載荷增大，導致頂部區(qū)域在壓應力作用下產(chǎn)生分層和纖維壓縮失效，筋條承載能力下降，體現(xiàn)在載荷位移曲線上為斜率的變化。載荷繼續(xù)增大，底部區(qū)域集中的非連續(xù)鋪層和連續(xù)鋪層在壓應力作用下發(fā)生滑移，從而導致大量分層產(chǎn)生，失效區(qū)域不斷向格柵筋條厚度方向的中間區(qū)域擴展。當拉伸應力大于纖維拉伸失效的臨界應力時，內部產(chǎn)生貫穿性裂紋，導致試樣的突然失效，并沒有表現(xiàn)出韌性行為。

對于非連續(xù)鋪層呈頂部區(qū)域集中分布的筋條(AGS-25-T)，因非連續(xù)鋪層的存在，頂部區(qū)域內連續(xù)鋪層的纖維屈曲尺度為定值，而其他區(qū)域內連續(xù)鋪層中的纖維屈曲尺度則隨著鋪層高度的增大而顯著增加。在這種情況下，分層將在上述兩個區(qū)域間迅速產(chǎn)生，從而將格柵筋條分割為兩個子區(qū)域。其中頂部子區(qū)域由非連續(xù)鋪層、連續(xù)鋪層和橫向鋪層組成，而底部子區(qū)域則可以視為無非連續(xù)鋪層的格柵筋條。

隨著彎曲載荷的不斷增大，頂部子區(qū)域不斷被拉直，在此過程中，非連續(xù)鋪層與連續(xù)鋪層間的滑移推遲了區(qū)域內纖維和基體的失效。與此同時，底部子區(qū)域在拉伸和壓縮應力的作用下不斷失效，導致承載能力下降，形成了載荷位移曲線上的陡降。其他區(qū)域繼續(xù)承載、失效，且頂部區(qū)域內非連續(xù)纖維和連續(xù)鋪層的滑移在格柵筋條中引入了偽韌性性行為，如圖10b所示。

上述結果表明，格柵筋條鋪絲成形過程中，利用鋪絲成形工藝特點，合理地引入非連續(xù)鋪層可以改善節(jié)點處纖維形態(tài)，從而實現(xiàn)極限彎曲承載能力的提高。在此基礎上，通過合理的非連續(xù)鋪層分布設計，可以在格柵筋條中引入韌性行為。上述結果驗證了鋪絲成形在復材格柵筋條制造上的先進性。

5 結論

(1)本文基于自動鋪絲成形特點，在格柵節(jié)點處通過夾持-剪斷-續(xù)鋪操作，引入合理含量和分布的非連續(xù)鋪層，實現(xiàn)了格柵節(jié)點纖維形態(tài)的顯著改善和彎曲性能的顯著提高。

(2)顯微觀察結果顯示，剪斷—夾持—續(xù)鋪引入的非連續(xù)層，可有效避免格柵節(jié)點處過多材料的堆積，改善纖維形態(tài)抑制纖維面外屈曲缺陷。

(3)與傳統(tǒng)格柵結構相比，利用自動鋪絲成形的格柵筋條可使極限抗彎載荷提高57.1%，且表現(xiàn)出明顯的偽韌性失效行為。

下一步將深入研究非連續(xù)層引入以及成形工藝對格柵筋條拉伸和壓縮性能的影響，為具有更高承載性能復合材料格柵結構的設計的良好成形提供理論和技術基礎。