材料應(yīng)用是連續(xù)碳纖維熱塑性樹脂復(fù)合材料(CFRTP)現(xiàn)階段的重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象，由于復(fù)合材料特性，可以通過鋪層方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得制作的產(chǎn)品能夠最大程度的發(fā)揮出其性能優(yōu)勢(shì)，本文這針對(duì)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)在承受彎曲荷載情況下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其面外剪切模量對(duì)材料行為的影響相關(guān)內(nèi)容解析。
隨著輕量化趨勢(shì)在航空、汽車、以及先進(jìn)制造業(yè)的不斷推進(jìn)，連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)因具備高強(qiáng)度、高剛性、良好的耐腐蝕性及設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)，成為了高性能結(jié)構(gòu)材料的首選。然而，在復(fù)雜的彎曲載荷作用下，CFRTP的性能表現(xiàn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、纖維鋪設(shè)方向及材料本身的面外剪切特性密切相關(guān)，這要求工程師在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行精準(zhǔn)的理論分析與優(yōu)化。
通俗的說，就是需要一個(gè)零部件在受力彎曲的狀態(tài)下，有非常好的性能，又能夠不容易斷開。這就需要通過不斷的計(jì)算和模擬，從而獲得最佳的擺放方式，讓材料在極限應(yīng)用中，也更結(jié)實(shí)。找出了怎么調(diào)整碳纖維的布局，以及如何選擇合適的塑料材料，來減少這種扭曲，讓CFRTP制成的東西在彎曲時(shí)既強(qiáng)又穩(wěn)。
首先是CFRTP結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過理論模型與數(shù)值模擬(如有限元分析)相結(jié)合的方法，分析了CFRTP層合板在彎曲荷載作用下的應(yīng)力分布與變形模式。優(yōu)化纖維鋪設(shè)角度與層數(shù)對(duì)提高整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的重要性，以及如何通過合理設(shè)計(jì)纖維堆疊序列來抑制或分散局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。
CFRTP的一個(gè)機(jī)械特性是楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)的比值。這里面就是跟材料的低切向剪切有關(guān)系，并且在在進(jìn)行E1/G13的比率還跟纖維形態(tài)以及加熱條件有關(guān)系。在有限元分析中采用懸臂長(zhǎng)度L、寬度b和初始厚度t0被設(shè)置為100mm、10mm和10mm情況下。在邊界條件下，集中載荷P=100N作用于一個(gè)邊緣，另一個(gè)邊緣固定但可以在z方向上移動(dòng)以進(jìn)行自由形狀優(yōu)化過程。得出想要的結(jié)果，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，無論是做運(yùn)動(dòng)器材、汽車零件還是其他高科技產(chǎn)品，都能更好地利用這種材料的優(yōu)點(diǎn)，做出既輕便又耐用的好東西。這里可以看下圖：
再進(jìn)行面外剪切模量的影響因素測(cè)試，面外剪切模量(G_shear)是衡量材料抵抗面外剪切變形能力的指標(biāo)，對(duì)于理解CFRTP在彎曲條件下的行為至關(guān)重要。面外剪切變形會(huì)導(dǎo)致有效截面減小，進(jìn)而影響材料的承載能力和穩(wěn)定性。通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，了解面外剪切模量如何影響CFRTP的彎曲剛度和強(qiáng)度，特別是在多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中，各層間剪切應(yīng)力的傳遞效率直接關(guān)聯(lián)到整體結(jié)構(gòu)的性能。這里可以看下圖跟鋼材鋁的對(duì)比，其中CTT和CTM均是連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料，表現(xiàn)出了不俗的性能優(yōu)勢(shì)。這里研究的意義在于，產(chǎn)品在需要彎曲變形狀態(tài)下依然有非常好性能，相較于鋼材，CFRTP材料就可以更好的實(shí)現(xiàn)想要的效果，有能夠更好的完成產(chǎn)品制作。
另外在特殊的領(lǐng)域中，還需要考慮到不同溫度下的性能表現(xiàn)，那隨著溫度升高，CFRTP的楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)都會(huì)降低，但G13的降低速度更快，因此在高溫情況下，CFRTP產(chǎn)品具備更好的安全系數(shù)。
這樣的數(shù)據(jù)能夠更好的為CFRTP材料零部件帶來合適的優(yōu)化策略和應(yīng)用，再通過調(diào)整纖維排列和層合結(jié)構(gòu)，以最小化面外剪切變形對(duì)彎曲性能的負(fù)面影響，從而實(shí)現(xiàn)CFRTP結(jié)構(gòu)的輕量化與性能最大化，尤其是在那些需要承受復(fù)雜載荷工況的高性能結(jié)構(gòu)件中，如航空航天領(lǐng)域，這也是現(xiàn)階段跟智上新材料進(jìn)行深度對(duì)接的客戶領(lǐng)域。
東臺(tái)智上新材料作為率先完成連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料(UD)單向帶量產(chǎn)的廠家，也在不斷的深究CFRTP材料未來的研究方向，不斷探索CFRTP材料體系，來推動(dòng)CFRTP材料在各領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用。
部分?jǐn)?shù)據(jù)參考：www.researchgate.net
