泡沫夹芯结构碳纤维复合材料医疗床板的强度研究

1、泡沫夹芯结构碳纤维复合材料医疗床板的强度研究第35卷第6期2010年l2月高科键鲜雏与应用HiTechFiber&ApplicationV.01.35No.6Dec.2010泡沫夹芯结构碳纤维复合材料医疗床板的强度研究吴焱,邵明(嘉兴中宝碳纤维有限责任公司,浙江嘉兴314001)摘要:按照戴铂经典"三明治"结构变形量计算公式所得的载荷.变形量曲线是一条等斜率直线,而实际测量的结果表明,泡沫夹芯结构碳纤维复合材料存在着一个临界集中载荷点:当载荷力小于这个点时,载荷.变形量曲线也近似于一条斜线;一旦集中载荷力超过该临界点,这种"三明治"结构的

2、变形量急剧增大直到断裂.由理论计算得出了小试样以剪切变形为主,而大如医疗床板的"三明治"结构变形,是剪切与弯曲共同作用的简单结论关键词:碳纤维;"三明治"结构;医疗床板中图分类号:TQ327.3;R812文献标识码:A文章编号:1007.9815(2010)06.003504StrengthResearchof''Sandwich''StructureonCarbonFiberCompositeMedical-BedPlateWUYan.SHAOMing(JiaxingSinoDiaCarbonFiberCo.,ID,Ji

3、axingZhejiang314001China)Abstract:LoaddeforrnantioncurvebasedonDIAB'Ssandwichconceptisaobliqueline,butexperimentalresultsprovethatthereisacriticalpointforconcentratedloadexistingonthecurve:astheconcenatedloadislowerthenthecriticalpoint,thecurveissimilartoaobliqueline.Oncetheconcenatedloadexceeds

4、thecriticalpoint,thedeformationofsandwichstructureincreasedrapidlyAccordingtothetheoreticalcalculation.weobtainthatdefor-marionismainlycausedbyshearinginsmallspecimens,bothshearingandbendinginbigsandwichstructure.Keywords:carbonfiber;"sandwich"structure;medicalbedplate由于碳纤维具有高强度,低密度,极低的x射线

5、吸收率等特点,在医疗放射设备领域,采用碳纤维复合材料做面板,中间为泡沫夹芯的"三明治"结构作为支撑病人并透过射线的床板,其X射线透过性能,成像清晰度,强度和刚性均明显优于聚碳酸酯,酚醛树脂板等传统床板,对提高设备整体性能起到了重要作用.因此,医疗设备厂家已逐步替换传统材料床面板,夹芯结构碳纤维复合材料板在医疗设备领域具有广阔的市场及发展前景.为了确保医疗精度,许多床板在要求有合适的铝当量的同时,还要求具有出色的刚性和强度,以保证医疗床在工作时的变形量足够小.碳纤维是一种各相异性的材料,而泡沫夹芯层也与表层的碳纤维复合材料面板性能不一致,所以在设计医疗床时,我们就不能简单的应

6、用各相同性材料的载荷变形公式,来模拟医疗床这种复杂结构的变形.本研究着重对泡沫夹芯结构碳纤维复合材料的理论载荷变形与实测的载荷变形作比较,对医疗床板的研制提供理论依据.1泡沫夹芯结构碳纤维复合材料试验方案及材料选择1.1试验方案研制的泡沫夹芯结构,上下表面为碳纤维复合收稿日期:2010.11-29作者简介:吴焱(1983.),女,浙江嘉兴人,助理工程师,主要从事碳纤维制品的设计与开发工作,(电话电子信箱)loveaminta.36.高筚斗拨鲜雏与应用第35卷材料面板,中间为泡沫芯材,为"三明治"结构.试验方案:采用碳纤维/环氧树脂预浸料,按铺层设计

7、铺贴预浸料,与泡沫芯材组合后一同固化,采用简易金属模具热压成型.成型工艺流程:模具准备一剪裁铺贴预浸料一预浸料与泡沫芯组合一热压成型.1.2材料选择采用的预浸料规格为150g/m2;碳纤维为东丽T700,中温固化体系,固化工艺简单.表1为环氧树脂性能.泡沫芯材选择ROHACELL5IIG.F型泡沫,该泡沫具有力学性能好,且100%闭孔的优点,其性能见表2.2试验2.1试验仪器WDW.T100微机控制电子万能试验机,试验机级别0.5,最大量程10t,生产厂家:济南试金集团有限公司;试验机附件:拉力试验软件一WDW电拉系统.2.2试验方法将压制的碳纤维复合材料夹芯板,按纤维方向切割成试样条,利用万

8、能试验机测试样条在相同跨度下,中点任意集中载荷下的变形量,作为一组实测数据(以下称A组数据).另外以切割成的试样尺寸为模型,利用戴铂公司提出的经典"三明治"结构载荷变形量计算公式,计算出一组理论载荷变形量.经典"三明治"结构载荷变形量计算公式1】为:总抗弯曲刚性:=btS/6+E(btcfl/2+E?bc/12总抗剪切强度:V=bdGc弯曲变形量:/2)=PL/48D剪切变形量:/2)=PL/4V总变形量:Af=Af+Af23结果与分析3.1试验实测值与理论计算值的比较试验所得数据结果见表3.将实测数据与理论数据绘制成载荷.变形量曲线,见图1.从图中我们

9、可以看出,理论计算所得的载荷一变形量曲线为一等斜率直线;而实测的载荷.变形量曲线在开始时,也近似为一条斜线,但到达某个点后,变形量突然增加剧烈,表现为曲线的突然上升.以下定义这个点为集中载荷临界点,简称临界点.分析原因:在临界点以前,碳纤维复合材料夹芯试样条在受力时,产生的是泡沫夹芯结构的整体弯曲变形;而临界点之后,主要是中间泡沫夹芯层的压缩变形.在试验过程中很明显能用肉眼观测到这一泡沫夹芯结构受压变形的过程.由图中还能看出,在临界点以前,实测的变形量比理论计算的变形量要小.这对用理论计算设计医疗床,提供了一定的保险系数.3.2表层及泡沫夹芯层厚度的影响我们改变碳纤维复合材料面板层的厚度,(B

10、组数据)以及泡沫层的厚度c(C组数据),实测的数据跟前面试验的A组数据做比较,观察表层以及夹心层对变形量的影响情况.实测的3组数据见图2.表1环氧树脂性能表2泡沫夹芯材料性能第6期吴焱,邵明:泡沫夹芯结构碳纤维复合材料医疗床板的强度研究37表3试验数据平均值l函蛰量蝴蔷353.O2.52.O1.51.00.503.53.O2.O1.51.0O.501实测值士理论值I/一/II_100200400500600载荷图1实测与理论计算载荷.变形量曲线图lA组一吮一c组f/7./7/0.1020.30.4050.60.7栽荷注:A组:L=144nltrl,b=13film,t=-2.4lnnl,c=3

11、7ram;B组:L=144mm,b=13trlnl,t=-2.4Inm,c=l8nun;C组:L=144mm,b=l3mm,t=-3.6lnln,c=37inrll.图2不同厚度表层和泡沫夹芯层载荷.变形曲线图高辱斗披鲜雏与应用第35卷由图2可以看出,随着碳纤维复合材料面板层或泡沫夹芯层的增厚,曲线的斜率减小,泡沫夹芯结构碳纤维复合材料的刚性越好,并且临界点也越来越靠后.碳纤维复合材料面板层的厚度对临界点起决定性作用.3.3试样与医疗床理论计算值的比较我们假设医疗床的跨度是试样的14倍(即L=2016mm),宽度是试样的40倍(lJb=520mm).通过公式计算变形量结果见表4.由表4可以看出

12、,试样条的变形主要以剪切变形为主,而床板的变形则是弯曲和剪切共同作用的结果,且弯曲变形所占比例大.并且虽然床板的长宽都增加了,但是总的变形量反而比试样要小.k-4试样与床板理论计算值4结论(1)"三明治"结构存在着一个集中载荷临界点.当集中载荷不超过临界点时的变形情况,可以用戴铂的经典"三明治"结构变形理论来解释.在临界点以下载荷与变形量基本呈线性关系.(2)虽然理论计算的结果比实测结果要大,但是临界点前的载荷.变形量曲线斜率相近,这从侧面印证了戴铂经典"三明治"结构变形计算公式的准确性.利用这套公式来设计泡沫夹芯结构的医疗床是可靠的,也具备一定的安全系数保障.(3)作为典型泡沫夹芯结构的医疗床,也必定有一个集中载荷临界点.而由于戴铂公式的可靠性,我们又通过理论计算得出一个简单结论:医疗床的集中载荷变形是剪切,弯曲共同作用的结果,这与小试样以剪切变形为主有很大的区别.参考文献1】SandwichConc