基于数值模拟的复合拉杆旋转成型设计外文翻译资料

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

Composite Structures 278 (2021) 114687

Contents lists available at ScienceDirect

复合材料结构

journal homepage: www.elsevier.com/locate/compstruct

基于数值模拟的复合拉杆旋转成型设计

Jonas Nieschlag , Philipp Eisenhardt, Sven Coutandin, Juuml;rgen Fleischer

wbk Institute of Production Science, Karlsruhe Institute of Technology, Kaiserstr.12, 76131 Karlsruhe, Germany

文章信息

关键词：

混合型

有限元分析(FEA)

机械测试

旋转成型

摘要

对于由热固性基体和连续纤维加固制成的旋转对称部件来说，旋转成型是一种很有前途的制造技术。本研究涉及对带有金属负载引入元件的旋转成型复合拉杆的数值分析。为此，更详细地研究了碳纤维增强塑料和金属载荷引入元件之间的粘合接头。对喷出的圆角的不同几何形状进行了评估，以减少发生在重叠两端的应力峰值。设计了一个实验设计用来确定不同参数的影响。得出了一个优化的几何形状，并在应力分布方面与参照物进行了比较。随后，对测试样品进行了旋转模塑和机械测试。研究结果表明，使用优化的喷水圆角可以减少粘合层内的最大应力，因此可以实现复合材料拉杆的更高机械拉伸载荷。

1.介绍

拉杆和传动轴在许多技术应用中被用来传递力和扭矩，例如应用于飞机着陆襟翼的执行器或汽车应用中的传动轴。与传统的金属部件相比，使用碳纤维增强塑料（CFRP）可以增加部件的强度和刚度，同时减轻其重量。在拉杆的情况下，可以减少移动系统的能量消耗，并增加有效载荷[1]。对于CFRP驱动轴，由于其较高的比刚度，可以实现较高的弯曲临界转速[2]。这些部件通常是由金属材料制成的大型结构的一部分。出于这个原因，这些部件通常设计有一个由CFRP和金属负载引入元件组成的圆柱体，并与车身的其他部分连接。

现有使用CFRP制造异型部件的工艺是缠绕、拉挤、树脂转移成型和吹塑[3]。这些已有的制造工艺的一个替代方案是采用连续纤维加固的旋转成型工艺[4]。在带有热固性基体的工艺变体中，由半成品制成的预制件被放置在模具中，并在旋转状态下进行浸渍，如图1所示[5,6]。浸渍压力是由产生的离心力产生的。一旦基体固化，旋转成型过程就可以停止，成品部件就可以取出。与现有的制造方法相比，一个主要的优势在于，金属负载引入元件可以在这个过程中被固有地连接起来，而不需要任何后续的连接步骤。这种连接可以是共固化连接，也可以是成型配合连接[7,8]，其中共固化连接效果基于所使用的基体的粘合性能。由于浸渍路径的长度与部件的厚度相同，如果使用低粘度的基体系统并施加足够的热量，预制件可以在很短的时间内被完全浸渍和固化。与已知的制造工艺相比，旋转成型工艺不需要模芯或昂贵的消耗品。只需要一个模具和一个主轴，从而使该工艺的总体投资成本相对较低。由于这些原因，似乎值得对该工艺进行更深入的科学研究。共固化的接头可以与传统的胶粘剂进行比较。相应地，共固化接头的强度取决于各种因素[9]。这些因素包括：

*Corresponding author.

E-mail address: jonas.nieschlag@kit.edu (J. Nieschlag).

• 粘合层的厚度
• 附着物的刚度
• 重叠面的长度和宽度
• 连接面的润湿
• 附着物的粗糙度
• 关节的几何结构

在旋转成型过程中，粘合剂层的厚度等因素是无法影响的。粘合剂硬度的增加或重叠区域的扩大对接头的总重量有不利影响。当施加额外的热量时，基体的粘度会降低，改善了表面湿润性[10]。数据表明各种表面处理有利于提高基质为混合复合材料的连接强度[11,12]。此外，众所周知，接头的几何形状的微小变化会显著影响接头的强度和接头失效。分析模型显示，导致失效的最大应力发生在重叠接头的两端[13,14]。为了减少重叠端部的应力集中，提高接头的强度，有人提出了喷出的圆角以及粘附角的反向渐变或圆角[15-28]。Adam等人[15,16]通过数值和实验研究了单搭接(SLJs)和双搭接(DLJs)的胶粘剂喷丝和圆角的影响。他们观察到，与没有涂抹圆角的接头相比，接头的强度明显增加。此外，Adams和Peppiatt[29]也研究了带有喷丝的管状搭接接头。然而，他们并没有考虑锥度或圆角粘附的影响。Hildebrand[17]对由纤维增强塑料（FRP）和金属制成的SLJs进行了类似的研究，用非线性分析研究了15种不同形状的连接端。其中最合适的形状使连接强度提高了90-150%。与Adam等人不同的是，Hildebrand还考虑了对粘附物进行凹陷，以减少局部的刚度。这应该是将一些应力从接头的边缘转移到接头的中心。Tsai和Morton[18]使用莫尔干涉仪测量了有无喷丝的粘附角末端的变形。与其他研究相比，Lang和Mallick[19]集中研究了喷水圆角的几何形状，还研究了圆形圆角。

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114687

Received 25 May 2021; Received in revised form 30 August 2021; Accepted 11 September 2021

Available online 16 September 2021

0263-8223/copy; 2021 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

J. Nieschlag et al.

Fig. 1. 使用热固性基质的旋转成型工艺[5,6]。

Frostig等人[20]开发并验证了一个封闭式的高阶理论，该理论显示当使用两倍于粘合层厚度的喷水圆角时，应力集中会减少。由于喷水圆角的影响经常被忽视，Belingardi[23]解决了这个问题，并确定了钢制玻璃钢SLJs的最佳角度，即在45◦左右。为了用优化方法获得接头末端的理想形状，Rispler等人[21]和Ejaz等人[26]提出了各种方法。Apalak和Engin[22]以及Zhao等人[27,28]研究了粘附角上损伤的发生和传播。实验结果表明，只有在脆性胶粘剂的情况下，将胶粘剂的角磨圆证明是有利的，而对于韧性胶粘剂则不然。Deng和Lee[25]将对搭接接头的研究结果转移到了CFRP板的粘接上。他们的研究表明，CFRP板上喷出的圆角的影响明显比搭接接头小。Da Silva等人[24]研究了低温下的CFRP-钛DLJs。他们的结论是，使用复合材料作为外粘物有利于提高接头强度。然而，大多数方法都集中在SLJs和DLS的传统粘合上，而迄今没有强调强调带有喷水角和圆角的共固化管状接头。

表 1

负载案例摘要

此外，对于具有形状优化的重叠末端的共固化接头，还没有研究过从工艺温度冷却到室温的影响。因此，这项工作追求的目标是建造一个模型来计算通过旋转成型制造的管状CFRP-金属部件的粘合层中的应力分布。为此，应用有限元分析（FEA）来研究喷出的圆角的影响，以及将粘附角磨圆所产生的影响。为此，实施了一个实验设计（DoE），其中也考虑到了从工艺到室温的冷却。获得了一些优化的几何结构，其重叠末端的应力分布有所减少，并在实验中与没有喷出的圆角和圆润的粘附角的参考变体进行比较。

Structures 278 (2021) 114687

2. 模具设计

在这一章中，介绍了FE模型以及所使用的几何结构、载荷情况、材料特性和喷水角的设计参数。

2.1. 几何结构

如图2所示，拉杆由一个厚度为tc=2mm的CFRP主体和一个厚度为tl=3mm的铝制载荷引入元件组成。在这两部分之间，共固化的接头被建模为一个非常薄的粘合层厚度ta=0.1毫米，重叠长度lo=30毫米。负载引入元素的内半径为20毫米。为了限制所需的计算时间，利用了围绕中心轴的旋转对称性。此外，代替传统的两个载荷引入元件的复合拉杆，只考虑一个金属载荷引入元件和CFRP型材之间的重叠（见图2）。

Composite

2.2.负载案例

由于拉杆要承受拉伸载荷，所以在金属载荷引入元件的上端实施了一个约束，对其施加一个轴向拉伸力的参考点（见图2和表1）。层压板在下端被固定。在旋转成型过程中，加热的基质通过注射装置被引入到加热的模具中，以浸渍干纤维预制件。在部件固化和脱模后，复合材料拉杆冷却到室温。这种温度的变化将导致必须考虑的内部应力。因此，在加载步骤之前，模型中假设温度变化为80K，这相当于加工温度和室温之间的差异。

2.3.层状结构和纤维取向

由于从工艺温度冷却到室温，铝和CFRP的不同热膨胀系数特别重要。虽然铝和基体的热膨胀是各向同性的，但CFRP的热膨胀明显取决于纤维方向。图3说明了这种情况，它显示了横向的热膨胀系数，这对细管的伸长至关重要。

Fig. 2. 复合材料拉杆的模型，带有喷水场和铝制载荷引入元件的圆角。

表 2

变体1（V1）和变体2（V2）的复合材料铺设。

如果部件在轴向拉伸方向上被加载，高纤维含量应在0°方向（y-方向，图2）上，以确保该方向上的高部件硬度。然而，对于给定的部件配置，这将导致CFRP主体

2

J. Nieschlag et al. Composite Structures 278 (2021) 114687

在从加工温度冷却下来时，与铝制负载引入元件相比，有更强的热收缩，因为CFRP的热膨胀系数在0°时比铝高（见图3）。因此粘合层内会产生破坏性的拉

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[589258]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word