（材料加工工程专业论文）混凝土泵车复合材料节臂的设计与成型工艺研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 混凝土泵车是一种输送混凝土的专用机械，其中最能体现混凝土泵车设计 水平、制造能力的是臂架的结构和形式，现阶段混凝土泵车发展的显著特点是 发展超长臂架技术，那就需要更加轻质高强的材料作为臂架的材料。目前最新 的技术就是用碳纤维复合材料作为臂架材料，采用热压罐工艺成型。但此方法 设备投资大、成本高。鉴于以上情况，本文首次提出用气囊辅助真空灌注工艺 的方法来制备混凝土泵车节臂。首先以混凝土末节节臂为对象，设计了节臂的 结构形状和铺层，设计气囊辅助成型模具，并研究了气囊辅助真空灌注成型工 艺参数。并制备出节臂样品，对其性能进行测试及计算机验证。 本文首先利用等代设计法，根据金属节臂设计了复合材料节臂的外形。然后 使用a b a q u s 软件，对复合材料节臂进行了有限元分析。根据节臂的受力情况 进行结构设计和铺层优化。确定采用6 k t 3 0 0 方格布和1 2 k t 7 0 0 单向布进行铺层。 共采用1 2 k t 7 0 0 单向布3 0 层，其中0 。方向铺层2 0 层，4 5 。方向铺层1 0 层。 最里层和最外层均采用两层6 k t 3 0 0 方格布。通过铺层优化设计，减轻了复合材 料节臂的整体重量，提高了其承载能力。最终设计复合材料节臂截面尺寸为 及增强材料，测试其强度和断裂伸长率，选择出符合要求的气囊材料。并制备 了符合工艺要求的模具。然后研究了气囊辅助真空灌注工艺的工艺参数，包括 气囊压力对制品性能的影响，流道设计对制品性能的影响。制备出在不同成型 压力下的节臂样品，测试其力学性能，确定了最佳工艺参数。其中气囊最佳充 压压力为o 1 m p a ，制各出的玻璃纤维增强乙烯基树脂材料性能达到最佳，树脂 含量为3 0 1 ，弯曲强度为4 0 0 m p a ，拉伸强度为3 6 0 m p a ，弹性模量为2 2 2 g p a 。 最终根据确定的最佳工艺参数制备出碳纤维增强环氧树脂复合材料节臂样品， 并测试其性能，从样品外观来看，纤维浸润良好，外形尺寸和表面质量均能满 足要求。测试其整体力学性能达到了设计要求。研究表明，气囊辅助真空灌注 的成型工艺是一种适合大型中空结构复合材料制品成型的工艺。 关键词：混泥土泵车节臂；a b a q u s ；气囊辅助真空灌注工艺 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n c r e t ep u m pt r u c ki s m a c h i n e r ys p e c i a l i z e df o rc o n c r e t e - c o n v e y i n g t h e s m a c t l l r ea n df o r mo fa r n lf l a m ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t sw h i c hc a n r e f l e c tt h el e v e lo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t i e s a tp r e s e n t , t h et r e n do f c o n c r e t ep u m pm a c ki st od e v e l o pt h es u p e r - l o n ga l t nf r a m et e c h n o l o g y s oi tn e e d s l i g h tm a t e r i a l 谢t l ll l i g hi n t e n s i t y t h e l a t e s tt e c h n o l o g yi s u s i n gc a r b o nf i b e r c o m p o s i t ea sa r n lf r a m e sm a t e r i a l w eu s u a l l ym a d ei tb yu s i n ga u t o c l a v ef o r m i n g b u tt h ec o s to fa u t o c l a v ei sv e r ye x p e n s i v e a i r - b a ga s s i s t e dv i m pw a sd e v e l o p e df o r t h ef i r s tt i m et of a b r i c a t et h ea n nf r a n l e w ed e s i g nt h es t r u c t u r ea n d s h a p eo ft h ea r m a n dp l ys t a c k i n g t h em o l d d e s i g n h a sb e e nc o n f i r m e d t h e p r o c e s sp a r a m e t e r s o f b l a d d e r - a s s i s t e dv i m ph a v ea l s ob e e nc o n f i r m e d w et e s t e dt h em a t e r i a lp r o p e r t i e s a n dv e r i f yi ti nc o m p u t e r u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w ec o n f i r m e dc o m p o s i t es t r u c t u r a ld e s i g na n d o v e r l a yo p t i m i z a t i o nb a s e do nt h ea b a q u ss o f t w a r e i nt h ef i r s t ，t h ea l l o w a b l e g e o m e t r i ce n v e l o p ea n ds m a c t u r eh a sb e e nd e s i g n 、析t l le q u i v a l e n td e s i g nm e t h o d t h e nw eo p t i m i z e dt h ep l ys t a c k i n ga c c o r d i n gt oa r l t lf r a m e sf o r c ec o n d i t i o n i nt h e l a s tw er e d u c ew e i g h ta n di n c r e a s ei t sc a r r y i n gc a p a c i t y f i n a l l y , t h ec o n f i r m e d s e c t i o ns i z ei s15 0 m m 枣2 0 0 m m t h et l l i c k n e s si s10 m m ，w e i g h t6 7 k g a c c o r d i n gt o a n t if r a m e sf o r c ec o n d i t i o n , t h ep l ys c h e m ei so p t i m i z e d 、i t l l6 k t 3 0 0c a r b o n - f i b e r p l a i da n d12 k t 7 0 0c a r b o n f i b e ru n i d i r e c t i o n a lf i b e r t h el a y si n c l u d e3 0p l i e so f 12 k t 7 0 0c a r b o n - f i b e ru n i d i r e c t i o n a lf i b e ra n d4p l i e so f6 k t 3 0 0c a r b o n - f i b e r p l a i d t h e r ea r e2 0p l i e so f0 。12 k t 7 0 0c a r b o n f i b e ru n i d i r e c t i o n a lf i b e ra n d10 p l i e so f 4 5 。12 k t 7 0 0c a r _ b o n f i b e ru n i d i r e c t i o n a lf i b e r a c c o r d i n gt ot h es e c t i o ns t r u c t u r eo ft h ea r i as h a p e ，w eu s ea i r - b a ga s s i s t e d v i m pt om a k et h em a i ns m a c t u r eo fa r n lf r a m e w ed e s i g nt h em o l du pt ot h e r e q u i r e m e n t t h ea i r - b a g sm a t e r i a lh a sb e e ns e l e c t e d t h es t r e n g t ha n db r e a k i n g e l o n g a t i o nr a t ea l lm e e tt h er e q u i r e m e n t s w em a d ea r mf r a m es a m p l e si nd i f f e r e n t i l 武汉理工大学硕士学位论文 a i r - b a gp r e s s u r e t h e nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sh a v eb e e nt e s t e d w ef o u n dt h eb e s t e x c e l l e n ti so 1m p a t h eg f r pm a t e r i a lp r o p e r t i e sa r ea l le x c e l l e n ti nt h i se x c e l l e n t t h er e s i nc o n t e n ti s3 0 1 t h eb e n d i n gs t r e n g t hi s4 0 0 m p a t h et e n s i l es t r e n g t hi s 3 6 0 m p a t h ee l a s t i cm o d u l u si s2 2 2 g p a w em a d ec f r pa l t nf r a l n es a m p l ew h e n p r o c e s sc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r sh a v eb e e nc o n f i r m e d t h ew e t t i n ga b i l i t yo ff i b r e i sg o o d d i m e n s i o n sa n ds u r f a c eq u a l i t yc a na l lm e e tt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：c o n c r e t ep u m pt r u c k ；a b a q u s ；a i r - b a ga s s i s t e dv i m p i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 复合材料在工程机械中的应用 1 1 1 复合材料特点 纤维增强复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、抗疲劳性能好、 耐化学腐蚀和耐候性好等系列优点，已逐步取代金属合金，广泛应用于航空 航天、汽车、电子电气、建筑等领域，先进复合材料更是成为了航空航天制造 工业首选的关键材料【l j 。 2 0 世纪6 0 年代末，先进复合材料开始在飞机结构中使用，由于复合材料具 有优良的力学性能和可设计性，能满足飞机结构重量轻、寿命长和可靠性高等 特殊技术要求，因而在航空、航天结构中得到了广泛的应用。近2 0 年来，诸多 大型航天构件，如大型运载火箭的发动机壳体、导弹弹头、卫星支撑结构件等 都已采用了先进复合材料 2 - 3 j 。据j e c 复合材料杂志的介绍，在空客a 3 8 0 等大 型民用客机上，复合材料构件用量更是达到了3 8 以上【4 】。 1 1 2 复合材料在工程机械上的应用 目前工程机械尽管在发动机技术、底盘系统、操作环境等设施中不断改进， 性能已有一定的提升，但仍存在许多薄弱环节。尤其是一些配件易疲劳磨损、密 封性差等缺点，影响着整机的使用性能，尚需改进。目前各种机械配件基本上采 用传统的各种合金钢，其优点有强度和弹性模量高、韧性好、各向受力均匀、可 靠性高、对动载的适应性强以及设计计算理论成熟等，但重量大、机动性差、耐 腐蚀性差、维修保养费用高等缺点也很明显，特别是重量大引起的一系列问题， 如不良作业环境的适应性差、不利于机动灵活等等【5 l 。 复合材料由于各组分材料在性能上协调作用，可以得到单组分材料无法比拟 的优越性能，具有比强度和比模量高，化学稳定性优良；减摩、耐磨、自润滑性好。 在许多的领域都领域都有很多的应用。 近年来，复合材料在工程机械中也得到了长足的发展，很多工厂机械装备 中有密封及耐磨部件等装置中采用了复合材料，耐磨性能得到了提高；1 9 8 4 年， 武汉理工大学硕士学位论文 碳纤维复合材料已成功地用于制造汽车的主动轴、弹簧、发动机盖、离合器磨 擦片、支架推杆、制动盘及其总成等，但其存在易变形、磨损等缺点，采用碳纤 维改性材料与金属基体的复合物，可提高使用寿命，降低维护和修理的费用【6 】。 c i f a 在2 0 1 0 年推出的一款c i f a 6 2 米泵车，采用了全球领先的拥有4 项国 际发明专利的复合材料臂架技术，其臂架3 4 5 节臂( 最后三节) 为复合材料( 碳 纤维增强) ，是市场上同类型产品中最轻且最坚固的吊杆，为客户解决了载重 限制的问题。此外，三一重工也申请了一项国家发明专利，一种布料臂架的节 臂及其制作方法，在节臂中采用复合材料立板和横板，以解决现有臂架制作和 使用中存在的问题。 1 2 复合材料整体成型工艺概述 限制复合材料广泛应用的最大瓶颈之一是成本高。复合材料成本包括采购 成本和寿命使用期成本。成本高主要表现在采购成本中的生产成本高。生产成 本由原材料成本和制造成本组成。通常认为原材料成本占2 0 ，制造成本占7 0 ， 其余1 0 为质量控制、性能检测等。因此，降低复合材料成本的重点在制造工 艺，其次是原材料。在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术是 当今世界各国复合材料工业共同关注的课题【7 。1 0 l 。 目前复合材料结构的成型基本采取两种方式：一种是整体成型。优点是减少 零部件数量，降低装配成本。复合材料构件的各部位都能均匀传递载荷，承载 效率高。缺点是复合材料构件型面越复杂，模具的设计和制备就越困难，制造 成本就越高；另一种是分体成型，即将整个结构按照部位的复杂程度，分割成几 个部分，分别成型，然后再采用胶接、螺接或铆接等方式连接成整体，这种方 式可以最大程度地降低复合材料结构的成型难度，但缺点也十分明显。因为复 合材料层间性能较差，所以连接部位的破坏强度往往比复合材料本体强度要低， 像铆接和螺接连接方式，还会对复合材料本身造成结构性的损伤破坏。因此， 采用分体成型的复合材料结构性能远低于整体成型的复合材料结构。为了有效 地降低成本，同时又能够提高复合材料结构的性能，采用整体成型技术就成为 先进复合材料制备技术发展的主流趋势【1 1 - 1 4 】。 在复合材料的发展过程中，研究人员开发了许多的先进的复合材料成型技 术，其中已被广泛应用的有树脂传递模塑成型( r t m ，r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ) ， 热压罐成型技术，纤维缠绕成型技术( f w ，f i l a m e n tw i n d i n g ) 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1r t m 工艺 1 2 1 1r t m 工艺概述 树脂传递模塑成型简称为r t m ( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ) 它起源于冷模浇铸 工艺，己经具有5 0 多年的历史，但r t m 工艺真正为人们所重视，并得到迅速 发展只有近十几年的历史。由于它具有效率高、投资低、能耗低、工作环境好、 工艺适应性强等优异性能，己广泛应用于各个领域。在外国得到迅猛发展，并 得到了很好的评价，例如日本强化塑料协会将树脂传递模塑成型工艺、拉挤工 艺推荐为两大最有发展前途的工艺【l 引。 r t m 的工艺过程是，首先在模具的型腔内铺放好按设计要求计算得到的纤 维增强预成型体，然后利用真空或注射装置提供的压力将专用的树脂注射到闭 合的模腔内，直至整个型腔内的纤维增强预成型体完全被浸润，最后进行固化 成型和脱模i l 州。 1 2 1 2r t m 工艺的优点 与其他复合材料成型方法相比，t r m 工艺具有以下优点【1 7 之o 】： ( 1 ) 能制造出具有高尺寸精度的、良好表面质量的构件； ( 2 ) 自动化程度较高，生产周期较短，材料浪费少，成型后整修工作量很 小，适合中等批量产品生产； ( 3 ) 模具制造与材料选择的机动性强，不需要庞大、复杂的成型设备就可 以制造复杂的大型构件，设备和模具的投资少； ( 4 ) 增强纤维可沿任意方向预铺设，构件强度好； ( 5 ) r t m 为闭模操作，散发的挥发物质很少，有利于身体健康和环境保护。 1 2 1 - 3 几种衍生的r t m 工艺 ( 1 ) 压缩r t m ( c r t m ) 成型工艺 由于预成型体的渗透率较小，在成型低树脂含量的复合材料制品时，需要 较大的树脂注射压力，导致注射时间变长，效率很低。当注射过程中带入空气 时，产生的气泡会很难排除，当采用压缩树脂传递模塑技术可以较好地解决这 一难题。压缩树脂传递模塑技术的工艺过程是在注射树脂时，模具先不闭合到 最终要求的位置，此时模腔尺寸较大，预成型体渗透率大，树脂能很快充满模 具并能对纤维进行有效浸润：当树脂注射完成后，再对模具加压使模具闭合到最 武汉理工大学硕士学位论文 终要求的位置，这样就能制作出性能优异的制品【2 。 ( 2 ) 树脂浸渍模塑s c r i m p ( s e e m a n nc o m p o s i t e sr e s i ni n f u s i o n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ) 工艺s c r i m p 工艺又称西曼树脂浸渍膜塑，其基本原理 是：首先在模具型面上铺放增强材料，然后将型腔边缘密封严密，在型腔内抽真 空，再将树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内，该工艺 利用精心设置的树脂分配系统是树脂现在模具长度方向迅速流动填充，然后在 真空压力下使树脂沿着预成型体厚度方向缓慢浸润，因此在生产大型平面、曲 面以及加筋等异型构件方面具有纤维浸渍快，成型工艺短等优势。西曼树脂浸 渍膜塑成型工艺在理论上具有显著的优越性，但该工艺对模具、原材料和成型 工艺技术有较高的要求。目前采用该工艺成型的最大单个构件表面积可达18 6 m 2 ， 厚度1 5 0 m m t 2 z j 。 图1 1s c 砌m p 工艺 ( 3 ) 热膨胀r t m ( t h e m l a l e x p a n s i o nr t m ，t e r t m ) 成型工艺 热膨胀工艺t e r t m 是指复合材料预浸料在闭合刚性阴模中通过芯模的热 膨胀来实现对复合材料加压固化的成型工艺方法。在其它的复合材料成型工艺 中，复合材料固化压力来源于外压力源，如热压罐、压力袋、负压、模压等， 而热膨胀工艺与之有本质的区别，热膨胀工艺又称热胀法【2 3 j 。以线胀系数较大 的材料为芯模，刚体材料为阴模，复合材料置于芯模与阴模之间，见图1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2t e r t m 工艺原理图 阴麓 蔓首r r l 辩 当模具受热后，芯模材料会受热膨胀，但由于芯模材料的线胀系数比阴模 材料大几十倍，因此芯模的体积膨胀受到阴模的限制，则在模腔内产生压力， 这种压力称为热胀压力，以此实现对复合材料固化过程的加压 2 4 - 2 j q 。这种方法 是靠芯模热膨胀产生的压力，无需外压源，适合于复杂结构制品的整体共固化 【2 引。在某些多腔体结构中，克服了外压难以传递均匀的缺点，具有不可替代的 优点。 因为该工艺能够以较低的成本成型大尺寸复杂结构复合材料构件，因此受 到了人们的关注。如文献【2 刀采用热膨胀工艺，一次共固化成型复合材料背架构 件。其工艺过程为先在钢制阴模内铺放预浸料，然后再模腔内放置膨胀芯模， 模具组装后进行加热固化。 ( 4 ) 树脂膜渗透( r f i ) 成型工型驯 树脂膜渗透( r f i ) 成型工艺的基本原理是t 首先将预催化树脂膜或树脂块 放人模腔内，然后在其上覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强 材料，再用真空袋封闭模腔，抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融 化，并在真空状态下渗透到纤维层( 一般是由下至上) ，最后进行固化制得制品的 一种复合材料成型工艺技术。其基本结构示意图如1 3 所示。 尼龙一一遵麓每 并麓一曩a 魔羹 图1 3r f i 工艺 5 武汉理工大学硕士学位论文 树脂膜渗透工艺是目前综合性能最佳的复合材料成型工艺之一，具有与传 统树脂传递模塑技术更多的优点： 1 ) 树脂基体为固体，存贮、运输方便； 2 ) 工艺操作简单，产品加工周期短，废品率低： 3 ) 树脂膜渗透工艺的内外模具只需要单面加工，从而大大降低了模具的加 工设计费用； 4 ) 树脂膜渗透工艺成型压力低，模具的选材机动性强； 5 ) 树脂膜渗透工艺成型不需要大型复杂的树脂计量注射设备，设备成本低；6 ) 制品纤维含量高( 接近7 0 ) ，空隙率低( 0 0 1 ) ； 6 ) 工艺不采用预浸料，树脂挥发少，有机化合物挥发低，环保，有利于操 作工人的身体健康。 v a r t m 工艺和r f i 成型工艺都是依照真空袋成型工艺要点将模腔封装。与 v a r t m 成型工艺相比较，成型工艺所用树脂是固体，储存、运输方便，工人操 作简单，不需要树脂注射设备，降低了工艺成本，但即i 工艺也存在一些不足之 处：一，对树脂体系要求严格，不适合成型形状复杂的制件；二，需要使用吸胶布 等耗材，产生固体废弃物。 1 2 2 热压罐 热压罐成型法的基本原理是将预浸料按铺层要求铺放于模具上，并密封在 真空袋中后放入热压罐中，经过热压罐设备加温、加压，完成材料固化反应， 使预浸料坯件成为所需形状和满足质量要求的构件的工艺方法。 作为航空复合材料制件主要生产设备的热压罐，是一个具有整体加热系统 的大型压力容器。典型热压罐的结构如图所示，由于热压罐是一个压力容器， 因此它常见的结构是一端封闭，另一端开门的圆柱体，为先进复合材料制件的 压实和固化提供必要的热量和压力。通常情况下，航空航天复合材料制件的尺 寸很大，因此热压罐必须更大，所以就需要更大的制造成本，这种工艺高昂的 成本已经引起了人们极大关注。但是热压罐工艺也一些其他工艺不可替代的优 点，下表列出了热压罐工艺的一些优缺蒯3 0 j ： 6 武汉理工大学硕士学位论文 袋封的复合材料制件 图1 _ 4热压罐结构示意图 图1 5 热压罐原理示意图 7 武汉理工大学硕士学位论文 图1 6 热压罐模具结构示意图 表1 1 热压罐工艺特点 真空薄膜 透气毡 盖板 无孔隔离膜 吸胶材料 隔离材料 复合材料毛坯 隔离材料 模具 罐内 因为用压缩空气或惰性气体( n 2c 0 2 ) 或混合气体向热压罐内充气加压， 压力 均匀 作用在真空袋表面各点法线上的压力相同，使构件在均匀压力下成型、固化。 罐内 空气 加热( 或冷却) 气体在罐内高速循环，罐内各点气体温度基本一样，在模具结 温度 构合理的前提下，可以保证密封在模具上的构件升降温过程中各点温差不大。 均匀 一般迎风面及罐头升降温较快，背风面及罐尾升降温较慢。 优 模具相对比较简单，效率高，适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体的成型， 点 适用可成型各种飞机构件。若热压罐尺寸大，一次可放置多层模具，同时成型各种 范围较复杂的结构及不同尺寸的构件。热压罐的温度和压力条件几乎能满足所有聚 较广合物基复合材料的成型工艺要求，如低温成型聚酯基复合材料，高温和高压成 型p i 和p e e k 复合材料，还可以完成缝纫瓜f i 等工艺的成型。 成型 热压罐内的压力和温度均匀，可以保证成型构件的质量稳定。一般热压罐成型 工艺工艺制造的构件孔隙率较低、树脂含量均匀，相对其他成型工艺热压罐制备构 稳定件的力学性能稳定可靠，迄今为止，航空航天领域要求高承载的绝大多数复合 可靠材料构件都采用热压罐成型工艺。 缺 投资与其他工艺相比，热压罐系统庞大，结构复杂，属于压力容器，投资建造一套 大成大型的热压罐费用很高：由于每次固化都需要制备真空密封系统，将耗费大量 点 本高 价格昂贵的辅助材料，同时成型中要耗费大量能源。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 缠绕工艺 纤维缠绕成型是树脂基复合材料的主要制造工艺之一，是在控制张力和预 定线型的条件下，将连续的纤维粗纱或带浸渍树脂胶液，连续地缠绕在相应于 制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化，制成一定 形状制品的方法【3 l j 。 1 缠绕成型工艺的分类 纤维缠绕成型工艺按其工艺特点，通常分为以下三种【3 2 】。 ( 1 ) 干法缠绕成型工艺将连续的玻璃纤维粗纱浸渍树脂后，在一定的温 度下烘干一定时间，除去溶剂，并使树脂从a 阶段转到b 阶段，然后络纱制成 纱锭，缠绕时将预浸纱带按给定的缠绕规律直接排布于芯模上的成型方法，称 为干法缠绕成型工艺。 采用该法制成的制品质量比较稳定，缠绕速度可以提高( 可达 1 0 0 - - - 2 0 0 m m i n ) ，工艺过程易控制，设备比较清洁，可以改善劳动卫生条件。 这种工艺方法容易实现机械化、自动化。该工艺要求所使用的固化剂在纱带烘 干时不应升华或挥发，特别是采用酸酐及d d s 类等高温固化的树脂基体系统， 常常易出现制品内层贫胶、外层富胶，有的表面有较大的气泡，表面不光滑。 并且由于纱片缠绕时每束已浸渍树脂胶的纤维束被张紧得犹如一条连续均匀称 的薄片需要预浸、烘干和络纱，因此，缠绕设备复杂，投资较大。 ( 2 ) 湿法缠绕成型工艺 将连续玻璃纤维粗纱或玻璃布带浸渍树脂胶后，直接缠绕到芯模或内衬上 而成型增强塑料制品，然后再经固化的成型方法称为湿法缠绕成型工艺。 湿法成型工艺设备比较简单，对原材料要求不严，便于选用不同材料。因 纱带浸胶后马上缠绕，对纱带的质量不易控制盒检验，同时胶液中尚存大量的 溶剂，固化时易产生气泡，缠绕过程中纤维的张力也不易控制。缠绕过程中的 每个环节，如浸胶辊、张力控制器、导丝头等，经常需要进行维护，不断涮洗， 使之保持良好的工作状态。如果其一环节发生纤维缠结，势必影响整个缠绕工 艺及产品质量，有时会造成浪费。 ( 3 ) 半干法缠绕成型工艺 这种工艺与湿法相比，增加了烘干工序；与干法相比，缩短了烘干时间， 降低了胶纱烘干程度，可在室温下进行缠绕。这种成型工艺即除去了溶剂，提 高了缠绕速度，又减少了设备，提高了制品质量。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 纤维缠绕产品的优点 ( 1 ) 比强度高 f w r p 的比强度3 倍于钛，4 倍予钢。 ( 2 ) 可靠性高 近年来的研究表明，材料固有的韧性或缺口敏感性限制了材料的可靠性。 金属的韧性随强度的提高降低。减轻质量( 必须提高强度) 和改善可靠性( 必 须增强韧性) 相矛盾。纤维缠绕复合材料使这一矛盾得以基本解决。 ( 3 ) 生产率高 纤维缠绕制品质量高而稳定。可实现机械自动化，生产率高，便于大批量 生产。 ( 4 ) 材料成本低 所用增强材料，大多是无捻粗纱等连续纤维，减少了纺织和其它加工费用， 材料成本低。 尽管如此，纤维缠绕工艺也有一定的局限性。目前缠绕工艺还不能适用于 任何结构形状的制品，必须借助缠绕机才能实现，而缠绕设备投资较大，只有 大批量生产时，成本才能降低。 1 3 复合材料制品结构设计技术 1 3 1 复合材料制品设计过程1 3 3 l 复合材料是一种可设计性的材料，其结构的多层次性为复合材料及其结构 设计带来了极大的灵活性，复合材料的力学、机械及热、声、光、防腐、抗老 化等物理、化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的 选择和匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期目的， 以满足工程设备的使用性能。 复合材料制品设计过程如图1 7 所示。在复合材料设计中，首先应明确性能 要求和设计条件，即根据使用目的提出性能要求( 气动性能、热工性能、介电 性能、耐腐蚀性、结构质量、使用寿命等) ，搞清楚实际使用过程中的载荷情况 ( 静载荷、瞬时作用载荷、冲击载荷、交变载荷等) 、环境条件( 包括加速度、 冲击、振动等力学条件，压力、温度、湿度、等物理条件，风雨、日光、冰雪、 等气象条件，放射线、霉菌、盐雾、风砂等大气天气条件) 以及受几何形状和 尺寸大小的限制等，这些往往是设计任务书的内容。设计条件有时也可能不太 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 明确，尤其是结构所受载荷的性质和大小在许多情况下是变化的。因此，明确 设计条件有时也有反复的过程。 当一确定所要求的性能、规格、大致形状和载荷条件后，就必须考虑复合材 料的原材料及由规定的试验方法测得的材料性能，选出认为大致适用的材料，确 定结构形式、成型方法和模具方案。然后在规定的外力情况下，根据材料特性， 用结构计算方法求出所产生的应力及应变，在考虑了设计准则中所规定的安全系 数及许用应力等后，确定结构尺寸，并完成整个结构和局部细节的设计和分析。 当然，在选择制品原材料、形状、，确定制品尺寸时，要考虑其工艺性，必须制造 容易而且价格便宜。试生产出制品后，就要对制品在与使用环境相似的条件下进 行结构、功能试验，来确定是否合乎设计要求，假如存在缺点，必须对所选形状 加以修正，直至完全满足要求，并在考虑经济性之后，再投放市场。 图1 7 复合材料制品设计过程 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 基于a b a q u s 软件对复合材料的处理 1 3 2 1a b a q u s 软件概述 a b a q u s 软件是国际上最先进的大型通用软件之一，其驾驭庞大求解规模 的能力，以及出色的非线性力学分析功能，可以用来分析复杂的工程问题， a b a q u s 的单元模型丰富，拥有梁、刚架、板壳、实体等单元，可以模拟任意 几何形状的结构；它还拥有各种类型的材料模型库，对工程中常见的材料，如金 属、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫以及土壤和岩石 等，均可以进行有效地模拟；a b a q u s 对结构的应力、变形、振动、冲击、质量 扩散、力热电耦合等过程可以进行静态和动态的分析d 4 。 a b a q u s 的分析流程如下： 图1 - 8a b a q u s 软件结构分析过程图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 2a b a q u s 软件中对复合材料的处理 随着复合材料在工程中的应用越来越广泛，针对这种情况，在 a b a q u s c a e 中，有专门的复合材料设计模块。应用该模块可以对复合材料进 行铺层设计。对于每一个铺层，可以选择铺层应用的区域、使用的材料、铺层 的铺设角度、厚度等。对于铺层较多的结构件，a b a q u s c a e 提供了很方便的 检查手段，可以显示铺层沿厚度方向将每一层分离展示，一目了然，这也是数 字化设计的一大优点。 图1 - 9 a b a q u s 软件中的c o m p o s i t el a y u p 编辑器 图l 一1 0a b a q u s 软件中的铺层显示 武汉理工大学硕士学位论文 a b a q u s 中的查询功能( q u e r y ) ，可以查询模型任何位置的铺层情况( p l y s t a c kp l o t ) ，如图所示。 1 4 混凝土泵车节臂的设计以其发展趋势 混凝土泵车是将混凝土输送泵放在专用汽车底盘上，配以专用的布料臂， 以及保证布料稳定性所配带的支腿等附加装置，所构成的一种能独立行走并具 有泵送混凝土功能的专用设备。具有移动灵活、泵送可靠、输送方量大、输送 速度快等特点，在建筑施工作业中，以其节省劳动力、施工速度快、浇筑质量高 等一系列优点受到人们的普遍重视，现已成为建筑施工过程中不可缺少的机械 设备。 最能体现混凝土泵车设计水平、制造能力的是臂架的结构和形式。臂架尺 寸规格参数是混凝土泵车最重要的参数，而臂架的结构形式直接影响臂架的尺 寸规格。臂架结构形式的创新和突破能有效地推动混凝土泵车的技术发展。 随着竞争的加剧及技术的进步，现有的臂架技术还需要进一步发展，因此 引入新的材料及新的工艺，实现混凝土泵车臂架轻量化，实现的最优化设计， 是有效地促进混凝土泵车产品成本降低和实现经济效益最大化的重要途径。其 研制及使用具有重要的现实意义和市场前景。 图1 11 混凝土泵车 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 1 混凝土臂架设计原则 为满足泵车外廓尺寸和臂架结构的强度、刚度、稳定性要求，泵车的臂架结 构型式多种多样。设计一个好的臂架，应遵从以下原则 足够的强度、刚度和稳定性 重量轻 大的伸展高度 长的水平长度，特别是净水平长度 大的下探深度 低的臂架打开高度 灵活的布料方式 紧凑的结构型式 准确的定位 以上这些要求是一种理想的状态，有些要求甚至是相互矛盾的。实际上没 有哪一种臂架能完全满足以上要求。因此泵车臂架设计者的任务是根据实际情 况进行选择或设计。 1 4 2 现阶段混凝土泵车臂架存在的问题 在人类开发应用泵车的历史上，对臂架长度的追求似乎永无止境。但有三 座大山始终摆在泵车设计者面前，无法跨越： 1 ) 臂架越长，臂架失稳，断裂的风险越高。 2 ) 臂架越长，整车重量越重，需要更多轴桥数的底盘。 3 ) 臂架越长，支腿面积打开越大，很少有工地能够满足长臂架泵车的占地 面积。 在臂架的制作工艺和材料设计上也存在着许多的问题，在输送混凝土时， 臂架要为输送管道和混凝土浆提供支撑力，因此，臂架的强度，耐疲劳性能和 重量直接影响到混凝土泵车的使用性能。为了满足工程的需要，要求将混凝土 输送到更高更远的位置，臂架将越来越长，节臂数量将增多。同时，输送管道 的截面积也越来越大。这些都要求节臂有更高的强度和更好的耐疲劳性能。现 有的节臂由钢板拼焊而成，存在一些问题。如： 1 ) 强度和重量之间的矛盾：通过提高钢板的厚度来提高强度，必然带来重 量的增加。使节臂承受更大的力矩。虽然可以用高强度钢来制作，但制作成本 武汉理工大学硕士学位论文 将大大提高。 2 ) 强度和制作工艺性之间的矛盾：使用高强度钢来制作节臂时，由于高强 度钢的焊接性能差，造成节臂制作加工困难，增加了制作成本。同时，由于焊 接性能较差，焊接处非常容易因疲劳而开裂，使臂架的使用寿命缩短。 3 ) 强度和耐疲劳性能之间的矛盾：高强度钢的耐疲劳性能相对降低，在使 用时，节臂容易出现疲劳断裂，使臂架的使用寿命缩短。 为解决以上问题，需要在节臂用材料方面有所突破。目前最新的发展方向 之一是使用新型聚合物基复合材料来作为节臂材料。如c i f a 在2 0 1 0 年推出的 一款c i f a 6 2 米泵车，采用了全球领先的拥有4 项国际发明专利的复合材料臂架 技术，其臂架3 4 5 节臂( 最后三节) 为复合材料( 碳纤维增强) ，是市场上同 类型产品中最轻且最坚固的吊杆，为客户解决了载重限制的问题。 将碳纤维复合材料应用在泵车臂架上，使泵车比采用传统材料生产的产品 白重减少了4 0 ，成功跨越了挡在泵车设计者面前的三座大山。混凝土泵车碳 纤维臂架的优势可以归纳为以下几点： 1 ) 整车重量更轻。以c i f a k 6 2 h 型泵车为例，其1 、2 、3 节臂采用高强度 钢板，4 、5 、6 节臂采用c a r b o t e c h 碳纤维材料，整车重量不超过5 3 t ，按照 欧洲及中国技术标准，完全可以安装在5 轴底盘上。为客户节省了底盘投资， 提高了泵车通过性能和行驶安全性能。 2 ) 使用寿命更长。碳纤维复合材料具有很好的抗疲劳性能，复合材料中基 体与纤维间的界面可有效地阻止疲劳裂纹的扩展，同时基体中密布着大量的纤 维，疲劳断裂时，裂纹的扩展要经历很曲折和复杂的路径，所以疲劳强度高。 金属材料的疲劳破坏是由里到外突然发展的，事先没有任何征兆；而纤维复合 材料总是从纤维薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。 3 ) 臂架结构更可靠。碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性、耐低温性、抗 冲击性和减震性，且断裂安全性高，因为碳纤维复合材料中有大量的独立的纤 维，过载时会使部分纤维断裂，但随即会迅速进行应力的重新分配而由未断纤 维承担全部载荷，不致造成构件在瞬时间丧失承载能力，安全性较高。另外， 碳纤维臂架泵车臂架无焊接结构，避免了传统材料臂架焊接结构质量难以控制、 易出现裂缝的顽疾，确保了臂架的坚固可靠。 因此引入新的材料及新的工艺，实现混凝土泵车臂架轻量化，实现的最优 化设计，是有效地促进混凝土泵车产品成本降低和实现经济效益最大化的重要 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 途径。其研制及使用具有重要的现实意义和市场前景。 1 5 本文研究内容 本文以以混凝土泵车最后一节节臂为研究对象，确定其结构形式，对节臂 的成型工艺进行设计，对其成型工艺参数进行研究，为复合材料节臂的实际生 产奠定基础。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 碳纤维复合材料节臂结构形状设计和结构铺层优化。采用有限元分析 方法，结合节臂的使用工况要求，设计出符合要求的碳纤维复合材料节臂，同 时对其纤维的铺层方式进行优化，使节臂具有最佳的承载能力。 ( 2 ) 碳纤维复合材料节臂成型工艺的制定。根据节臂的结构形状，设计出 一种低成本的复合材料整体成型技术，对工艺可行性和工艺参数进行研究，制 备出碳纤维符合材料节臂样品。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章复合材料节臂的结构设计与优化 2 1 节臂的结构形状设计 由于目前碳纤维节臂还处于研发阶段，尚未投入实际使用，其结构形式以 及受力状况等还不是很清楚。因此，本文采用等代设计法对碳纤维复合材料进 行设计。所谓等代设计法，一般是指在载荷和使用环境基本不变的情况下，稍 为考虑一些复合材料的特点，采用相同的形状( 或适当的改变形状和尺寸) 的 复合材料代替其他材料，并用原来的设计方法进行设计。根据复合材料的特点， 用复合材料代替金属材料时，在保持结构件外形不变的条件下，结构内部构件 的形状会发生变化，结构件的厚度也会作相应变化。 2 1 1 原金属节臂的结构尺寸大小 图2 1原金属节臂外形 图2 - 2 原金属节臂截面形状 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 1 、2 2 所示，原金属节臂长5 5 m ，底部最大截面尺寸为1 9 0 2 0 0 ， 厚度为5 m m ，整个节臂采用高强钢焊接而成，重量为1 6 0 k g 。 2 1 2 碳纤维复合材料节臂结构形状设计 由于整个节臂主要受到的是弯曲应力，节臂的结构属于箱型梁结构，设整 个碳纤维复合材料节臂由1 ：1 的碳纤维方格布制成，即碳纤维复合材料为准各 项同性材料，由等代设计法则，令金属节臂和碳纤维节臂的弯曲刚度相等，即： e a i 詈= e t i 警 色高强钢的弹性模量，色= 2 0 0 g p a ； 耳碳纤维复合材料弹性模量，耳= 9 0g p a ； 高强钢节臂截面的惯性矩； 乎碳纤维复合材料节臂截面的惯性矩。 b lb 二 n ，t l jk c z 蠢 rj r 一 图2 3 箱型梁截面图 ， b h 3b h 3 z2 百一百 ，一堕一堡 1 y 1 21 2 设碳纤维复合材料的尺寸和普通高强钢的尺寸大致相同相同，只是厚度不 同，由已口= 易哆，初步计算碳纤维外形尺寸为1 5 0 m m 木2 0 0 m m ，厚度为1 5 m m 。 碳纤维复合材料的密度为1 6 9 c m 3 ，可以计算碳纤维复合材料节臂的质量大约为 8 0 k g 。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，可以得出碳纤维复合材料的截面形状如下图所示： ； 毳霞 j 图2 - 4 碳纤维复合材料节臂截面 用三维绘图软件对节臂外形建模，得出其三维外形如图2 5 所示： 图设计的碳纤维节臂外形 2 2 碳纤维复合材料节臂有限元计算分析 2 节臂结构有限元静力分析 2 2 1 1 模型的建立 节臂壁厚尺寸远小于长度方向的尺寸，属于薄壁结构类型，在有限元建模 时可以忽略沿厚度方向的应力，所以本文采用壳结构单元在软件中对 节臂进行建模，整个模型的外形如图所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6a b a q u s 软件中节臂模型 本文采用a b a q u s s t a n d a r d 求解器模块对模型进行有限元分析 2 2 1 2 铺层及材料属性 整个节臂采用6 k t 3 0 0 碳纤维1 ：1 方格布增强环氧树脂材料，按照真空导入 的工艺计算，其材料的各项性能和高强钢对比如表2 1 所示 表2 1碳纤维复合材料和高强钢的对比 碳纤维布增强环氧树 性能高强钢 脂复合材料 拉伸模量 e n = e 2 2 6 0 2 0 0 ( g p a ) e 3 3 1 0 剪切模量 g 1 2 8 5 ( g p a ) g 2 3 = g 1 3 5 0 0 1 2 0 3 3 泊松比 0 3 v 2 3 2 ) 1 3 o 1 6 拉伸强度 0 1 1 2 02 2 8 4 0 ( m 【