供稿人:張俊康，田小永 發(fā)布日期：2017-09-01
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種各向異性材料，與金屬合金材料相比，具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計強(qiáng)及多功能融合等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。隨著新的復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，如變角度纖維絲束（Variable angle tow，VAT）鋪放（如圖1所示）、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印等，突破傳統(tǒng)復(fù)合材料絲束單一直線方向鋪放的限制，實現(xiàn)纖維絲束的曲線布局，為高性能復(fù)合材料的制造提供創(chuàng)新的高性能解決方案。如何最大化纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)大的可設(shè)計性，使得結(jié)構(gòu)局部剛度分布與工況條件下的載荷分布對應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)整體的承載能力和材料的使用效率，是未來發(fā)展的重要方向，這種局部剛度非均勻分布的材料被稱為變剛度復(fù)合材料，由于其材料異質(zhì)性與各向異性以及VAT 制造工藝限制，使得功能調(diào)控設(shè)計過程十分復(fù)雜，然而其應(yīng)用前景十分誘人。
圖1 變角度纖維絲束（VAT）鋪放過程及變角度絲束復(fù)合材料試樣
俄羅斯科學(xué)院Polilov 教授團(tuán)隊，開展了采用曲線纖維走向調(diào)控消除復(fù)合材料帶孔板的應(yīng)力集中的研究，理出了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維走向的優(yōu)化設(shè)計建模方法，實現(xiàn)復(fù)合材料帶孔板中纖維走向路徑的自動規(guī)劃，如圖2 所示，通過有限元分析的方法對具有功能梯度調(diào)控的復(fù)合材料板進(jìn)行了路徑優(yōu)化，以每個單元中纖維走向與含量為控制變量，以減少孔結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料板所造成的應(yīng)力集中為目標(biāo)，相比單一直線纖維板，其應(yīng)力集中降低了3.2 倍。
圖2 變角度絲束用于消除復(fù)合材料應(yīng)力集中的仿真分析
然而受制于制造手段，所提出纖維走線無法采用現(xiàn)有的變角度絲束鋪放技術(shù)進(jìn)行制造，西安交通大學(xué)所提出的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印工藝有望解決復(fù)雜纖維路徑與含量的動態(tài)控制，如圖3 所示?；诖斯に嚪椒?，日本東京大學(xué)Yusuke Yamanaka 教授等提出了一種新的可實現(xiàn)連續(xù)纖維彎曲布置的優(yōu)化方法，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對變剛度材料的路徑規(guī)劃進(jìn)行了模擬分析，并與單向?qū)拥膽?yīng)力相比較，結(jié)果顯示優(yōu)化后的平面層斷裂應(yīng)力增加到173％，然而，目前僅停留在理論規(guī)劃與數(shù)值計算階段，并沒有進(jìn)行相關(guān)的3D 打印工藝優(yōu)化、設(shè)計方法優(yōu)化與實驗驗證研究。
圖3 CFR PLA復(fù)合材料3D打印工藝參數(shù)示意圖
連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)，分別以碳纖維干絲和樹脂絲材為增強(qiáng)相和基體材料，實現(xiàn)復(fù)合材料制備與成形一體化，通過工藝參數(shù)改變可動態(tài)調(diào)控纖維走向與纖維含量，使變剛度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精確控性、低成本制造提供了可能。