自动铺丝伴生缺陷对复合材料的力学性能影响研究

摘要

航空飞机的日渐大型化，导致复合材料的用量逐渐增多和尺寸的不断增大，复合材料制造逐渐由手工铺放转变成了高自动化的自动铺放如纤维自动铺丝技术、纤维自动铺带技术。自动铺丝技术使单向的复合材料丝束铺放轨迹得以优化，但是在应用此技术铺放复杂形状机构时可能会导致缺陷（空隙、重叠、褶皱等）的引入。这些缺陷往往就会是限制构件性能的一个关键性的因素，这些缺陷通常会成为复合材料铺层失效的起始点，降低部件的承载能力。因此，对于自动铺丝伴生缺陷对构件的力学性能影响研究具有很大的意义。 本文的主要研究工作如下: (1)本文利用2丝束自动铺放机器人铺放，所用的预浸料为CYCOM5320-1FP/T40/800B，丝束宽度为6.35 mm，厚度为0.125 mm。根据南航自主研制的铺放头的工艺参数的设定，为了除内嵌缺陷外尽量避免其他缺陷的出现，将铺放时的铺放温度设定为40℃，促进预浸料丝束树脂的流动性和粘着性;铺放压力设定为标准压力;铺放速度设定为10 mm/s。将自动铺放完成后的试件利用热压罐制造成型。将拉伸破坏后的试件利用莱卡显微镜观测其侧面断裂形貌，更清晰的发现试件的断裂是沿着内嵌缺陷方向展开的。 (2)为研究不同成型方式对内嵌缺陷试件的影响，本实验利用2丝束自动铺放机器人铺放含有空隙和重叠缺陷的层合板试件，按照[(90°/0°)5/90°]和[(0°/90°)5/0°]的顺序，将缺陷分别置于0°和90°铺层内。在试件成型过程中，无模压板的成型方法会导致试件局部厚度和微观结构的变化，这主要取决于缺陷的类型，这对试件的拉伸性能有很大影响。使用模压板可以很好地改善这一点。试验表明:在0°纤维方向上，含空隙缺陷加模压板成型的试件较不加模压板成型的试件拉伸强度提升了218.5％，重叠缺陷试件加模压板成型后试件拉伸强度也提高了69％;在90°纤维方向上，由于90°方向铺层不是主承载层，模压板对试件性能影响较小，但加模压板成型后，空隙和重叠缺陷试件的拉伸性能也分别提高了3.2％和15.6％。 (3)探究内嵌褶皱缺陷对自动铺丝层合板构件拉伸性能的影响，通过包含褶皱缺陷的复合材料层合板的拉伸试验模拟研究褶皱的影响。试件中的内嵌褶皱的褶皱参数通过嵌入90°纤维丝束的宽度和层数来改变。试件按照[(0°/90°)2]s的顺序，利用南航自主研制的两丝束自动铺放机铺放，缺陷设置在90°铺层与0°铺层之间。通过对6种不同缺陷规格的试件与完好试件进行拉伸试验，发现褶皱角度是衡量内嵌褶皱对层合板拉伸性能影响的最主要因素，且内嵌褶皱缺陷的层合板的拉伸性能呈现出随着褶皱角度的增加而逐渐降低的趋势，其中褶皱角度为10°试件的拉伸强度比褶皱角度为4°的试件的拉伸强度降低了31.74％。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2自动铺放技术

1．2．1自动铺带技术及其应用

1．2．2自动铺丝技术及其应用

1．2．3自动铺丝的轨迹规划

1．3复合材料自动铺放伴生缺陷研究

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4本文主要研究内容

第二章自动铺丝伴生缺陷层合板的分析

2．1复合材料构件伴生缺陷分类及其成型原因

2．1．1自动铺丝伴生缺陷分类

2．1．2气泡缺陷的形成

2．1．3空隙和重叠缺陷的形成

2．1．4褶皱缺陷的形成

2．2自动铺丝(AFP)T艺技术

2．3自动铺丝的铺层规划原则和设计

2．4复合材料层合板断裂准则

2．5本章小结

第三章空隙缺陷及构件成型方式对拉伸性能的影响

3．1空隙缺陷复合材料构件的制备及实验过程

3．1．1空隙缺陷复合材料构件的制备

3．1．2空隙缺陷复合材料构件的实验过程

3．2实验结果分析与讨论

3．2．1 0°纤维方向空隙缺陷复合材料构件

3．2．2 90°纤维方向空隙缺陷复合材料构件

3．2．3断裂形貌分析

3．3本章小结

第四章重叠缺陷及构件成型方式对拉伸性能的影响

4．1重叠缺陷复合材料构件的制备及实验过程

4．1．1重叠缺陷复合材料构件的制备

4．1．2重叠缺陷复合材料构件的实验过程

4．2实验结果的分析与讨论

4．2．1 0°纤维方向重叠缺陷复合材料构件

4．2．2 90°纤维方向重叠缺陷复合材料构件

4．3本章小结

第五章内嵌褶皱对自动铺丝层合板构件拉伸性能的影响

5．1内嵌褶皱自动铺丝层合板构件的制备及实验过程

5．1．1内嵌褶皱自动铺丝层合板构件的制备

5．1．2内嵌褶皱自动铺丝层合板构件的实验过程

5．2实验结果分析

5．2．1褶皱宽度

5．2．2褶皱高度

5．2．3褶皱角度

5．2．4破坏形貌分析

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1全文总结

6．1．1缺陷试件的自动铺放和热压罐固化成型

6．1．2缺陷试件的拉伸及其破坏形貌的观测

6．1．3自动铺放内嵌缺陷及构件成型方式对拉伸性能的影响

6．1．4内嵌褶皱对自动铺丝层合板构件拉伸性能的影响

6．2研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢