拖带法制造的变刚度复合材料层压板的屈曲行为外文翻译资料

 2022-01-05 08:01

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拖带法制造的变刚度复合材料层压板的屈曲行为

摘 要

本研究研究了采用自动铺丝技术工艺制造的变刚度复合板的屈曲行为。为了最大限度地减少自动铺丝技术固有缺陷作为间隙和重叠的发生,采用了所谓的拖放法。在简单支持的边界条件下,在包含间隙或重叠的大型面板上进行了压缩屈曲试验。在压缩载荷过程中,由四个激光传感器跟踪的平面外偏转的具体响应,用测量到的初始几何曲率来解释,这些曲率是变刚度面板。使用位于面板上的16个应变片跟踪平面内应变,证实间隙和重叠的存在不会影响变刚度面板的对称性。最后,确定了拖放法显著改善了结构。

关键词：自动铺丝技术；屈曲；间隙/重叠；拖放；可变刚度板

  1. 概论

自动铺丝技术是制造大型复杂航空航天复合材料结构的领先技术,目前是生产现代飞机的首选工艺,如波音787、空客350XWB和庞巴迪C系列。最近的一篇评论论文[1]讨论了用于制造复合材料的自动预浸料工艺的发展,包括自动铺丝技术工艺。虽然自动铺丝技术工艺主要用于制造具有直纤维(即恒刚度层压板)的复合材料结构,但它提供了沿曲线路径引导单个纤维管的可能性。这种制造特性为所谓的变刚度层压板[2]开辟了广泛的道路。可变刚度层压板使设计人员能够根据载荷方向加固和增强结构性能,这对于生产飞机结构是非常可取的。关于复合材料设计和优化的几项研究表明,可变性设计在提高平面内刚度([3–5])、屈曲阻力([6–8])、强度([9-11])、振动方面具有潜力。响应([12–14])和弯曲特性([15–17])。然而,变刚度层压板的制造显示了与纤维转向引起的特定固有缺陷相关的疑虑,称为间隙和重叠;这些缺陷对复合材料层压板结构性能的影响尚不清楚。因此,阐明这些缺陷的影响对于这一有希望的设计的发展至关重要。

在开放文献中,有大量的实验和数值研究,解决了差距和重叠对恒刚度层压板力学性能的影响。其中,Sawicki和Minguet[18]研究了具有层内重叠和缝隙缺陷的直纤维层压板的抗压强度下降。Turoski[19]进行了数值和实验分析,以研究在单轴拉伸和压缩载荷下,间隙数对32层碳/环氧复合板极限强度的影响。Croft等人[20]讨论了一种实验方法,以了解四种不同缺陷配置的影响,即间隙、重叠、扭曲的拖头和半间隙重叠,对层压复合材料的机械性能的影响。勒盖等[21]研究了间隙和重叠对自动铺丝技术制造的24层准各向同性碳氧层压板低速冲击响应的影响。他们考察了损伤的起爆载荷、峰值冲击载荷、吸收能量、损伤面积和压缩后冲击强度。Fayazbakhsh等[22]进行了有限元分析,研究了间隙和重叠对准各向同性层压板抗压强度的影响,并采用了[45/0/-45/90]3s层接。他们利用文献中提供的实验数据验证了有限元模型和结果。实验结果与数值结果吻合较好。

虽然很容易找到关于自动铺丝技术过程引起的缺陷对恒刚度复合材料力学特性的影响的实验数据,但大多数已发表的关于变刚度复合材料层压板的研究都涉及到数值模拟([10、23、24]),缺乏与这些固有缺陷(即差距和重叠)有关的实验数据,如注释[25]所述。Wu等人[26,27]对双轴复合板(即有重叠和无重叠)受到单轴压缩的屈曲行为进行了数值和实验分析。Jegley等人[28,29]在具有中央圆形切口的拖轮板上进行了压缩和剪切试验。这些研究结果表明,具有间隙和重叠的变刚度面板的整体弹性特性明显优于恒刚度板。然而,应当指出,在以前的研究[26–29]中,为制造被测试的面板而采取的战略,即所谓的拖重叠方法[30],导致了面板内的大量重叠.制造的面板是相当不对称的,因为它们有一个光滑的一面(对模具表面不利的一面)和一个颠簸的一面,由于过多的重叠和厚度积累。这种几何形状通常是航空应用中空气动力学控制表面的不需要的,例如在控制气流率和飞机升力的飞机机翼中。前一位作者[26-29]在制造过程中使用了惊人的技术,它涉及到用一个小的距离来抵消每个层的主要路径的来源,以防止自动铺丝技术缺陷的聚类。然而,在固结后,固化后的变刚度面板与作为基线面板的恒刚度面板相比,存在较大的初始几何缺陷。为了解决这个问题,吴等人[26]在压缩测试中直接强迫支持的面板的边缘。测试过程中的这种干扰可能会影响面板的屈曲行为,因为变刚度面板的性能高度依赖于边界条件[5]。

与拖重叠方法不同的是,另一种制造方法可以减少几何异常,最大限度地减少自动铺丝技术自制变刚度面板中引起的缺陷量。这种方法,包括切割纤维管,以避免形成过多的自动铺丝技术缺陷,称为拖放法。在实际应用中,采用拖放法可以采用几种设计策略。这些策略可以根据'覆盖率百分比'参数进行分类[31]。在相当于0%覆盖率(即完全间隙)的策略中,只要拖曳的一个边缘到达极限曲线(相邻的路线或层压板的边界边缘),就会将拖曳下降;这将导致小的三角形树脂丰富的地区(即差距)。相反,在相当于100%覆盖率(即完全重叠)的策略中,当两个边穿过极限曲线时,拖被丢弃;这导致在三角形重叠的小区域。此外,中间方案也是可能的,其中覆盖率在0%到100%之间(详见[31])。

目前的研究旨在量化自动铺丝技术过程引起的缺陷对矩形、简支、可变板在均匀平面位移下的屈曲和后屈曲特性的影响。为此,使用拖放法制造了两个可能数量为自动铺丝技术缺陷的最佳可变刚度面板:一个对应于0%的覆盖率(即完全间隙),另一个对应于100%的覆盖率(即,具有完全重叠)。设计制造了一种特殊的夹具,以确保在实验过程中所有面板边缘都有简单支撑的边界条件。确定了变刚度板的屈曲特性,并与恒刚度面板(即无缺陷准各向同性基线板)的结果进行了比较。本实验工作是COMP-413项目[5、20、23、24]的一部分,旨在考虑到自动铺丝技术过程引起的缺陷,优化转向拖复合结构的设计。参考[5]使用代干NSGA-ii方法(NSGA-ii:非主导排序遗传算法),研究了变刚度平板平面内刚度和屈曲载荷的多目标优化。参考[5]中定义的基于代理的优化流程图提出了两个优化的变刚度复合板,打算使用Viper 4000自动铺丝技术机制造。

  1. 实验步骤

2.1材料和测试板制造

制造了三种类型的面板:(i)具有恒定刚度的准各向同性面板,作为基线;(ii)具有完全重叠(即100%覆盖)的变刚度面板;(iii)具有完整的变刚度面板(即覆盖率为0%)。表1列出了这些测试面板的堆叠序列。表1中使用的光纤取向符号是Guuml;rdal和Olmedo提出的[3]。在此需要注意的是,所研究的可变刚度面板使用参考文献[5]中描述的方法和流程图进行了优化,以实现与基线面板相比的最大屈曲载荷。

表1 堆叠测试面板的序列

图1.ACE仿真结果：（a）完全重叠和（b）完全间隙

纤维操纵板是使用Viper 4000纤维贴装机制造的。这款法新社机器能够铺设任何偶数的3.175毫米宽缝隙胶带,最多32头,并允许单独的拖车切割机重启控制。为了制造可变刚度复合层压板,在自动铺丝技术过程中的每个纤维拖是按照预定义的曲线光纤路径进行的。为了模拟光纤路径,采用了ACE编程仿真软件。该软件还可以模拟自动铺丝技术过程引起的缺陷的分布(见图1),并预见在违反曲率最小纤维半径约束时可能出现的质量相关问题的潜在区域。对于3.175毫米宽的预浸料拖,按照文献[32]的建议,铺设预置拖曳的最小曲率半径为635毫米,用于将预置拖放在没有皱纹和微屈曲的表面上。

所有测试的面板都是使用G40-800/5276-1碳/环氧缝隙胶带制造的。然后在0.58mpa的压力下,在高压灭菌器中以177℃的速度固化了2小时的面板。标称材料特性见表2。

表2 G40-800/5276-1单向碳/环氧预浸料的机械性能

在高压灭菌器中固化后,用自来水下的金刚石锯将面板切割成尺寸为254毫米406毫米的试样。随后,对修剪过的试样的较短边缘进行了平面和平行加工,以确保在实验过程中获得均匀的端部载荷。典型测试样品的配置如图2所示。

图2.纤维导向复合板的例子：（a）准各向同性板，（b）具有完全重叠的板和（c）具有完全间隙的板

图3.在测试板中测量的初始几何缺陷：（a）准各向同性板[Rmin=1.93，Rmax=1.78]，（b）具有完全重叠的板[Rmin=1.62，Rmax=1.61]和（c）具有完全间隙的板[Rmin=1.02，Rmax=0.94]

在切割后,特别注意测量表面平整度的特点。事实上,即使在各向同性材料中,矩形薄壁板的外运缺陷也是可以预料的,各向异性和随机缺陷的分布会加剧这种缺陷。由于本研究涉及与平面外变形有关的屈曲现象,在测试面板之前测量最初的缺陷至关重要。为此,用CNC协调测量机(数控机床806)在一个间距为6.35mm的统一网格上对所有测试面板的初始几何缺陷进行了处理;测量结果是在两个平面方向上进行的。然后使用基于冲浪功能的matlab代码对数据进行映射。结果如图3所示,此处,Rmin和Rmax分别表示沿z轴(即沿厚度方向)的最低和最高平整度缺陷。

此外,还测量了所有测试面板的重量，wt和标称厚度,h。表3中汇总了平均值,此处,w*,表示'重量指数',它被定义为测试面板的重量与准各向同性面板的重量之比。

表3 转向板几何特征

2.2实验压缩屈曲测试装置

设计制造了一种特殊的安装夹具,以进行压缩屈曲试验。该夹具的设计目的是获得沿面板的所有四个边缘的简单支持的边缘边界条件。这些所需的边界条件,在实践中,是由一个克制的平面外位移,自由切向边缘旋转,和平面内平移运动表示,是很难在实验室复制。为了克服这个问题,面板的边缘安装在两个刀刃支架之间。图4显示了安装在支撑夹具中的典型测试样品。此外,值得注意的是,面板两个卸荷侧边的刀刃之间的缝隙设置为约2毫米,以便自由膨胀。

每个测试面板都经过单轴压缩,沿其水平顶部边缘施加均匀的位移。十字头速度固定在1mm/min,加载一直持续到面板发生最后故障。所有测试都是在室温下使用配备了100千角称重传感器的AMSLER机器进行的。

图4.安装在支撑夹具中的测试样品

图5.应变仪的位置（所有尺寸均以毫米为单位）

2.3仪器和数据采集

为了数据采集,安装了16个轴向应变片,以测量轴向应变作为压缩载荷的函数。图5显示了背靠背应变片对的典型位置。对于所有6毫米长的仪表,电阻为350Omega;,仪表系数为2.1。此外,在实验过程中,还使用了四个空间分辨率(8mu;m)和工作距离大(30–80毫米)的非接触式激光位移传感器来记录平面外面板偏转。这些传感器的重点是面板的垂直中跨,如图6所示。在实验过程中,使用定制的LabVIEW软件定期记录来自应变片、激光传感器平面外位移、压缩载荷和平面内施加位移的数据。请注意,应变片和非接触式激光传感器在将任何位移应用于面板之前,已设置为零。

图6.激光位移传感器位置（所有尺寸均以毫米为单位）

  1. 实验结果和讨论

3.1负载与位移响应

图7显示了测试面板的载荷与位移响应。正在调查的面板配置表现出相同的一般模式行为。为便于讨论,面板的总体载荷与位移响应分为四个区域,如图7所示,具体如下:

–区域i:初始非线性区域

–区域ii:预屈曲区

–区域iii:过渡区

–区域iv:后屈曲区

图7.测试板的载荷与面内位移曲线：（a）准各向同性板，（b）具有完全重叠的板和（c）具有完全间隙的板

区域i,初始非线性区,通常在单轴拉伸和压缩试验中观察到,并不反映真实的材料行为。例如,ASTM-D695压缩测试将第一区描述为'由样品的松弛和对齐或座位支撑而引起的人工制品'。此外,同一标准建议,'要获得诸如模量、应变和偏移屈服点等参数的正确值,必须对该工件进行补偿,以给出应变或扩展轴上的校正零点'。在本研究中,负载-位移曲线没有按照一些ASTM标准(包括ASTM-D695)的建议进行修正。这一选择是由以下事实决定的:这项调查涉及的是非标准和大型样本以及不完美的平板显示器,因此,很难确定所有最初的非线性行为是否都是人工制品。实际上,对于准各向同性面板和具有完全间隙的变刚度面板,区域i扩展到大约2kN(参见图7a和c)。尽管如此,对于有重叠的面板,这种初始非线性扩展到大约3kN(见图7b)。作者认为,这一初始区域的范围并不取决于材料的性质(即恒定刚度或可变刚度),而是取决于载荷表面的初始几何缺陷。

区域ii,预屈曲区,其特征是线性弹性响应,反映了材料的真实行为。该曲线的这一部分用于提取三种研究面板配置的压缩预屈曲刚度值K0。因此,从载荷-位移曲线的线性区域ii的最佳拟合斜率计算出了试验预屈曲刚度,结果见表4。为了突出曲线纤维概念的影响,对准各向同性面板的性质进行了归一化,并在表4的括号中显示。从归一化数据中可以看出,重叠的面板的预屈曲刚度增加了约64%,而有间隙的面板则略有下降(约7%)。然而,关于基线面板(即准各向同性面板),有间隙的面板的厚度有所下降,而有重叠的面板的厚度则有所增加,如表3所示。因此,应使用面板厚度对实验结果进行校正,以提供曲线纤维概念效果的真实指示。

表4 转向板的屈曲特性

不幸运的是,制造的纤维操纵板的厚度本质上是不均匀的。这种不均匀性在一定程度上归因于与制造过程有关的局部缺陷。因此,作为替代方案,结果使用'重量指数'、'w*'、面板值进行了校正,同时考虑到面板的长度和宽度几乎相同的事实。事实上,如表3所示,有间隙的面板比准各向同性面板轻,重叠的面板分别比重叠的面板轻13%和33%。如表5所示,这些重量上的差异将明显影响转向板的屈曲特性;在这里,EA表示通过将预屈曲刚度乘以标称面板长度而获得的预屈曲拉伸刚度值。表5中的结果表明,重叠的面板的称重归一化预屈曲拉伸刚度要大1.4

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资料编号：[2211]

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