干法缠绕用碳纤维复合材料耐压支撑管铺层优化设计

Optimization Design of Carbon Fiber Reinforced Polymer Pressure-Resistant Support Pipe Layer for Dry Winding

摘要

碳纤维复合材料（CFRP）具有高刚度、高强度等优势，是进行轻量化结构设计的先进新型材料。铺层优化设计是CFRP制件结构设计的重要内容之一。基于ABAQUS对CFRP耐压支撑管铺层结构进行优化。确立以［（90°/±20°）₅/90°/（±20°）₉/90°/（±20°/90°）₅］为最终铺层方案。采用干法缠绕成型工艺制备CFRP耐压支撑管，以有限元法和试验法对方案进行验证。结果表明：模拟分析CFRP耐压支撑管的抗压强度为817.4 MPa，抗压模量为167.7 GPa，对应的强度安全系数为1.84，模量安全系数为1.86。CFRP耐压支撑管的平均抗压强度为683.85 MPa，平均抗压模量为137.9 GPa，对应的强度安全系数为1.54，模量安全系数为1.53，均能够满足技术性能指标要求。

关键词

干法缠绕成型 / 碳纤维复合材料 / 铺层设计 / 抗压性能

Key words

Dry winding forming / Carbon fiber reinforced polymer / Layer design / Compression resistance

纤维缠绕成型工艺是树脂基复合材料的重要制造工艺之一，是在控制张力和预定线型基础上，将浸过树脂胶液的连续纤维在芯模上按照一定规律缠绕，最后通过固化和脱模处理，得到复合材料制品的工艺^[1]。缠绕成型工艺主要用于加工回转结构制件，由纤维缠绕的张紧力提供径向压力，获得较高的层间结合性能^[2]。纤维缠绕成型按工艺特点不同，可以分为湿法缠绕、半干法缠绕及干法缠绕，其中湿法缠绕是最常见，但制备含胶量不易控制，工人劳动条件差^[3-4]。半干法缠绕介于湿法缠绕和干法缠绕之间，是在纤维浸胶到缠绕至芯模的途中增加了一套烘干设备，但含胶量不易精确控制且工人劳动量较大。干法缠绕采用预紧纱带，使其处于软化状态缠绕至芯模上，具有制品质量稳定、缠绕速率快及生产污染小等优势^[5-6]。

铺层设计是碳纤维复合材料(CFRP)结构设计的重要内容，是巨大而又复杂的工程^[7]，它影响着CFRP结构强度、刚度等性能^[8]，其中铺层角度、铺层厚度、铺层数量及纤维混杂情况都使得CFRP结构呈现出不同的力学特性^[9-11]。杜春志等^[12]对不同铺层方式下某低速复合材料飞机机翼的强度、刚度和传统机翼进行对比，证明了复合材料机翼的优势。陈旦等^[13]对比了两种干法缠绕压力容器铺层设计方案，通过应力对比分析，确定了铺层方式为[11°/11°/11°/90°/90°]。王静等^[14]采用中央翼盒等厚度铺层设计方案，在减轻铺层质量的同时提高了刚度。SAKIN等^[15]对双向玻璃纤维聚酯复合材料层合板的铺层结构进行设计，测试结果显示，铺层数为6层、纤维铺层方式为[0°/90°]时，即为最优的复合材料层合板。PENG等^[16]对变厚度混杂层合复合材料结构进行优化，并提出了铺层顺序表的概念，用于描述复合材料结构的铺层顺序和材料分布。本实验以干法缠绕用CFRP耐压支撑管为研究对象，基于ABAQUS计算机仿真软件建立CFRP耐压支撑管有限元模型，通过改变纤维角度缠绕方向，探讨其对制件结构性能的影响，并对铺层结构进行优化，采用模拟分析和试验测试的方法对铺层方案进行验证。本研究成果为类似结构产品的开发提供借鉴。

1 CFRP耐压支撑管有限元建模

1.1 几何与网格

基于ABAQUS建立CFRP耐压支撑管有限元模型，在ABAQUS内直接建立CFRP耐压支撑管几何模型（耐压支撑管内径53 mm，外径63 mm），并在part模块建模过程中沿耐压管的直径方向将该几何模型平均分割为四个部分，以便于后续网格划分。在mesh模块，选择连续壳单元CS8R，采用扫略的网格控制方式沿压缩管的半径方向进行网格划分。图1为建立的几何模型和网格模型。

1.2 材料属性及失效准则

CFRP通常是以碳纤维为增强体，热塑性环氧树脂为基体制备的复合材料。本研究选用的碳纤维为东丽公司12K的T700SC，该纤维分散性和加工性较好。确定的环氧树脂型号为AEDB01。分别对CFRP纵/横向单向板进行拉伸和压缩力学性能试验，每次测试取5个样件的平均值。表1为最终经过测试后T700SC/AEDB01复合材料单向板的材料属性。

对于薄壁类复合材料结构，将复杂的三维问题转换为二维问题，CFRP耐压支撑管在模拟受力过程中，选取二维Hashin失效准则分析失效单元。CFRP层内损伤响应包含了纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体拉伸失效以及基体压缩失效^[17]，Hashin失效准则在复合材料渐进损伤分析领域应用广泛^[18]。针对四种失效模式，二维Hashin失效准则的表达式分别如式(1)~式(4) ^[19-21]。采用线性损伤失效模型分析，断裂能设置为0，即树脂基体及纤维应力一旦达到破坏初始条件，树脂基体及纤维即发生脆性断裂，以便更加贴近实际情况。

纤维拉伸失效( {\sigma }_{\mathrm{11}} > \mathrm{0})。

(1)

纤维压缩失效( )。

(2)

基体拉伸失效( {\sigma }_{\mathrm{22}} + {\sigma }_{\mathrm{33}} > \mathrm{0})。

(3)

基体压缩失效( )。

[ {(\frac{Y_{\mathrm{C}}}{\mathrm{2}{S}_{\mathrm{23}}})}^{\mathrm{2}} - \mathrm{1} ] ( \frac{{\sigma }_{\mathrm{22}}+{\sigma }_{\mathrm{33}}}{Y_{\mathrm{C}}} ) + \frac{({\sigma }_{\mathrm{22}}+{\sigma }_{\mathrm{33}}{)}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}{S}_{\mathrm{23}}^{\mathrm{2}}} +

(4)

1.3 边界条件

管状类结构是工程应用中常见结构类型之一^[22-23]，采用CFRP材料制作的支撑管具有耐腐蚀、轻质化、高强度等优势^[24-25]。根据CFRP耐压支撑管的实际承载形式，进行压缩支撑管有限元模型的载荷及边界条件的设置。首先，采用刚性耦合功能(Coupling)设置支撑管两端节点分别与两个参考点进行耦合；其次，将支撑管一端的参考点的各个方向的位移进行完全约束限制，而在另一端的参考点上施加沿压缩管轴向方向的位移载荷，压缩位移为8 mm。 图2为有限元模型边界条件。

2 CFRP耐压支撑管铺层优化设计

2.1 铺层优化设计

在建立的CFRP耐压支撑管有限元模型的基础上，改变纤维铺层角度（与耐压支撑管轴线的夹角），每组方案铺层建立10层，分别进行CFRP耐压支撑管的抗压强度及抗压模量的计算，表2为设计的铺层角度和计算结果。从表2可以看出，当纤维铺层角度为0°时（与耐压支撑管的轴线重合方向），CFRP耐压支撑管抗压强度和抗压模量明显高于其他铺层角度。铺层角度为0°~30°，抗压强度随着铺层角度增大明显减小，铺层角度为30°~90°，抗压强度变化较小；铺层角度为0°~90°，抗压模量随着铺层角度增大呈减小趋势，铺层角度为60°~90°，抗压模量变化较小。

在上述铺层角度研究的基础上，进行CFRP耐压支撑管的铺层角度设计，讨论两类铺层设计方案对抗压强度和抗压模量的影响。第一类铺层方案是在小角度铺层的基础上加入90°铺层角度，进行混合角度铺层，90°铺层和角度铺层含量占比均为1/3，铺层层数为15层，分别计算[90°/±45°]、[90°/±30°]及[90°/±20°]的铺层方案的受力情况，图3为其对应的应力-应变曲线。从图3可以看出，铺层方案为[90°/±20°]的力学性能最优，其抗压强度为726.2 MPa，抗压模量为199.4 GPa。

第二类铺层方案是第一类铺层方案的基础上，对90°铺层角度和20°铺层角度，进行混合缠绕，并改变90°铺层角度在角度设计中的含量，讨论90°铺层角度含量分别占比1/3和1/5，两种铺层角度方案，铺层层数均为15层，并计算CFRP耐压支撑管的抗压性能，图4为其计算结果应力-应变曲线。从图4可以看出，CFRP耐压支撑管90°缠绕层的含量占比1/3时，抗压性能明显高于占比1/5，其抗压强度为726.2 MPa，抗压模量为199.4 GPa。通过适当地增大90°铺层角度在角度设计中的占比，可大大改善CFRP耐压支撑管的抗压性能。

2.2 铺层方案校核

以[(90°/±20°)₂/90°/(±20°)₂/90°/±20°/90°]为最终压缩性能校验铺层设计方案。在该铺层设计方案的CFRP耐压支撑管的有限元计算结果中提取其失效模式及其分布（只提取第一层的应力分布、失效模式及其分布）。图5为其计算结果。从图5可以看出，在压缩载荷作用下，CFRP耐压管长度范围内没有发生纤维的拉伸与压缩破坏，但在距离CFRP耐压管两端一定距离内发生了少量的基体拉伸破坏，CFRP耐压支撑管的两端的较大范围内发生基体的压缩破坏。因此，在成型制造过程中，可在CFRP耐压管的两端进行加固，以便进一步提高CFRP耐压支撑管的抗压缩性能。

综合上述计算结果，为了增加CFRP耐压支撑管的厚度，满足技术指标要求，项目研究抗压强度 \ge445 MPa，抗压模量 \ge90 GPa，在实际成型时选择设计的CFRP耐压支撑管的铺层方式为[(90°/±20°)₅/90°/(±20°)₉/90°/(±20°/90°)₅]，铺层层数为50层，图6为这种缠绕方式制作的CFRP耐压支撑管在压缩载荷作用下的应力-应变曲线。从图6可以看出，其抗压强度达到817.4 MPa，抗压模量167.7 GPa，强度安全系数为1.84，模量安全系数为1.86。由此可见，按此铺层角度制作CERP耐压支撑管可达到设定的技术指标要求。

3 CFRP耐压支撑管压干法缠绕成型

复合材料管体类结构制造的主要成型工艺包括：缠绕成型、搓卷成型、模压成型、拉挤成型以及热胀袋法成型等^[26-28]。缠绕成型中干法缠绕工艺具有自动化程度高、产品精度高的优势，更适用于本研究的CFRP耐压支撑管制作。缠绕过程中，由于管体过长，两端容易产生滑纱问题，造成成型制件两端的质量缺陷，为了解决该问题，改进了成型模具。图7为研制的半球端面成型模具。从图7可以看出，该模具一端为固定半球，另一端为活动半球，可以拆卸方便脱模。

采用4FW500X1500型干法缠绕机进行缠绕成型。缠绕过程中要保证丝嘴光滑，以免摩擦力过大导致预浸带变形或拉断，在缠绕多层以后，随着工件的直径增大，需要对筒身段长度进行及时修正。缠绕成型后将制件和模具放入鼓风干燥箱内进行固化成型，固化最高温度为150 ℃，固化时长为300 min。固化后进行脱模处理，并对脱模处理的制件用角磨机进行修整，图8为修整后的CFRP耐压支撑管制件。

4 试验验证

为了验证干法缠绕成型制件是否符合技术指标要求，在耐压杆轴线方向，在一定应变速率下进行抗压测试，采用2 000 kN压力试验机对CFRP耐压支撑管施加压缩载荷，通过获得的应力-应变曲线，获得结构的抗压强度和模量^[29]。因为样件过长，测试前将所制CFRP耐压支撑管切割成30 mm长度试件，并将端面磨平。通过机械加工法，加工获得测试夹具，且保证端面平面度和闭合后上下端面平行度。选取5组测试样件，在压力试验机加压下，对装配好的模具和样件进行测试。经过测试，该测试样件的平均抗压强度为683.85 MPa，平均抗压模量为137.9 GPa，强度安全系数为1.54，模量安全系数为1.53，成型样件能够满足技术指标要求。

5 结论

通过对不同铺层角度的CFRP耐压支撑管有限元模型进行抗压性能测试，可以发现，纤维铺层角度为0°时，抗压强度和抗压模量最大。讨论了两类铺层方案对CFRP耐压支撑管抗压性能的影响，铺层方案为[90°/±20°]时，抗压性能最优。90°铺层角度在角度设计中的占比会对抗压性能影响较大，90°铺层角度含量占比1/3时，抗压性能明显高于占比1/5。

确定以[(90°/±20°)₅/90°/(±20°)₉/90°/(±20°/90°)₅]为最终成型铺层方式，经过抗压分析计算可知，CFRP耐压支撑管强度安全系数为1.84，模量安全系数为1.86。对干法缠绕成型的CFRP耐压支撑管进行抗压测试，经过测试，实际制件的强度安全系数为1.54，模量安全系数为1.53，两者均能满足技术性能指标要求。

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基金资助

国家重点研发计划子课题“寒地特色果树产业关键技术研究与应用示范”(2022YFD1600502)

国防科技重点实验室开放基金课题(JCKYS2023603C022)

黑龙江省自然科学基金项目(LH2023E114)

2023黑龙江省属本科高校“优秀青年教师基础研究支持计划”(YQJH2023144)