供稿人：李家駿、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-06-10
連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料( CCFRCs )作為最受歡迎的先進(jìn)復(fù)合材料之一，由于其優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度重量比以及高度的設(shè)計(jì)靈活性，在航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，特別是材料擠出( Material Extrusion，MEX )技術(shù)的發(fā)展，使得基于拓?fù)鋬?yōu)化的概念輕量化結(jié)構(gòu)成為可能。CCFRCs 3D打印為實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用中的高性能結(jié)構(gòu)提供了一種新的手段，特別是對于飛機(jī)零部件，具有革新制造方法的潛力。
CCFRCs輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)新興趨勢是考慮材料性能的方向性。西安交通大學(xué)田小永團(tuán)隊(duì)提出了一種兼顧制造效率和可制造性的拓?fù)鋬?yōu)化CCFRCs的設(shè)計(jì)和制造框架，并通過MEX在1 m以上的無人機(jī)機(jī)翼翼梁上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖1所示，以MBB梁為例展示了從初始設(shè)計(jì)域到3D打印模型的設(shè)計(jì)示意圖，將拓?fù)涮匦赞D(zhuǎn)化為易于實(shí)現(xiàn)的輕量化結(jié)構(gòu)概念。
圖1 CCFRCs的拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印示意圖
復(fù)合材料及零件的力學(xué)性能受組成材料和加工條件的影響很大。研究者將層壓厚度設(shè)置為0.3 mm，艙口間距設(shè)置為1 mm。在制造過程中，打印速度為120 mm / min，打印頭溫度保持在280 ° C?？紤]到各向異性材料屬性對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的影響，對三種不同鋪層方向的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，如圖2所示。
圖2 3D打印CCFRC的試驗(yàn)研究：(a)試件；(b)、(c)和(d)分別為縱向試樣、橫向試樣和面內(nèi)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
在考慮最佳材料密度、最佳纖維取向和3D打印工藝限制的情況下，可通過SOMP方法對承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)成連續(xù)的纖維軌跡?；谠摲椒ㄍㄟ^簡單的打印路徑即可實(shí)現(xiàn)難加工拓?fù)鋬?yōu)化的CCFRCs。研究者利用實(shí)驗(yàn)獲得的各向異性材料特性，優(yōu)化制備了梅瑟施米特- B ¨Olkow-Blohm ( MBB )光束，并與蜂窩光束的性能進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了其可行性和有效性。作為工業(yè)案例研究，將所提出的框架應(yīng)用于無人機(jī)機(jī)翼翼梁并進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。然后，采用3D打印技術(shù)在CCFRC上制作了翼梁和翼肋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值分析，驗(yàn)證了其承載能力。其中優(yōu)化后的翼梁能夠承受32.16倍于自重的垂直起飛工況下的工作載荷，并且機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)在飛行狀態(tài)下具有較高的剛度。所提出的方法擴(kuò)大了CCFRC的設(shè)計(jì)和制造自由度，具有革新制造的潛力，可在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)顯著提高性能和效率。
圖3 無人機(jī)翼梁優(yōu)化設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃結(jié)果：(a)翼梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果；(b)翼梁連續(xù)纖維軌跡設(shè)計(jì)；(c)翼梁的3D打印路徑；(d)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的3D打印路徑