帽形薄壁梁的铺层设计与制造工艺33023.docx
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1、帽形薄壁梁的铺层设计与制造工艺【摘要】复合材料薄壁梁能够承受机身中拉压和剪切载荷作用,其结构的总体和局部刚度好,减少了应力集中和钉孔对壁板截面积的削弱,在减重方面有很大优势。因此,研究复合材料薄壁梁的铺层设计具有非常重要的意义和用途。本文提出了一种基于现代模型的复合材料薄壁梁铺层设计方法,实现了在压减复合载荷作用下的帽形薄壁梁铺层结构和参数设计。【关键词】 复合材料 帽形薄壁梁 铺层设计 制造工艺AbstractComposite thin walled beams in modern aircraft has been more and more widely application.Of
2、composite thin walled beams to withstand the fuselage in tension and compression and shear load, the structure of the general and local rigidity, reduces the stress concentration and the nail hole on the panel of the cross-sectional area of the undercut, has great advantage in weight loss.Therefore,
3、 study of composite thin walled beams design of covering layer has very important significance and use.This paper presents a method based on the modern model of the composite thin walled beams overlay design method, realized in Yajian combined loads under the cap shaped thin walled beam layer struct
4、ure and parameter design.【keywords】 Composite 1复材简介1.1复合材料介绍1.2复合材料帽形梁的介绍零件如图1所示 1.3复合材料定义及分类1.3.1定义1.3.2分类1.3.2.1按增强材料形态分为以下三类1.3.2.2按基体材料分类(1)聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料;(2)金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料,如铝基复合材料、钛基复合材料等;(3)无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。1.3.2.3按材料作用分类 (1)结构复合材料:用于制造受
5、力构件的复合材料; (2)功能复合材料:具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等)的复合材料。此外,还有同志复合材料和异质复合材料。增强材料和集体材料属于同种物质的复合材料为同质复合材料。1.3.3复合材料的基本特性(1)复合材料是由多相材料复合而成,其共同的特点是: 可综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天然材料所没有的性能。例如,玻璃纤维增强环氧基复合材料,既具有类似钢材的强度,又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。 可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如,针对方向性材料强度的设计,针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。可制成所需的任意形状的产品,可避免多
6、次加工工序。例如,可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。(2)复合材料最大的特性是可设计性好:它可以根据不同的用途要求,灵活地进行产品设计,具有很好的可设计性。 对于结构件来说,可以根据受力情况合理布置增强材料,达到节约材料、减轻质量的目的。 对于有耐腐蚀性能要求的产品,设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料; 对于其他一些性能要求,如介电性能、耐热性能等,都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求。复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。1.3.4复合材料的其他性能 轻质高强,比强度和比刚度高,例如,普通碳钢的密度为7.8 g/cm3。玻璃纤维增
7、强树脂基复合材料的密度为1.52.0 g/cm3,只有普通碳钢的1/41/5,比铝合金还要轻1/左右,而机械强度却能超过普通碳钢的水平。 电性能好,例如,玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能,并且在高频下仍能保持良好的介电性能,因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料; 耐腐蚀性能好,聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。 热性能良好,玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数,是一种优良的绝热材料;金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用,但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用,即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料,其长期工作温度也只能在30
8、0 左右。 工艺性能优良,能满足各种类型制品的制造需要 弹性模量好,碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量 防老化现象好, 抗疲劳性能好, 减振能力强,例如:用同样尺寸和形状的梁体进行试验,金属材料的梁9s才停止振动,而碳纤维复合材料则只要2.5s,可见阻尼之高。2 复合材料帽型薄壁梁材料的选取2.1帽型梁零件原材料材料选择复合材料的原材料,包括基体相和增强相的原材及添加剂。基体相材料指作为基体的各种聚合物,包括环氧树脂、热固性树脂和热塑性树脂,增强相材料则是指各种纤维,如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等。2.1.1基体材料的选择(1)树脂选择环氧树脂环氧树脂是
9、泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物,除个别外,它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征,环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团,使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。环氧树脂的性能和特性: 2.1.2增强材料的选择碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。他的比重不到钢的1/4,比铝还要轻,比强度是铁的20倍。同钛、钢、铝等金
10、属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。 碳纤维除了具有一般碳素材料的特性:耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等,其外形有显著的各向异性柔软,可加工成各种织物,又由于比重小沿纤维轴方向表现出很高的强度,碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。碳纤维还具有极好的纤度纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数,一般仅约为19克,拉力高达300kg/mm2。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能,因此在旨度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温,化学稳定性高的场合,碳纤维
11、复合材料具备不可替代的仇势。 (1)碳纤维的物理性质如下:碳纤维的密度在1.52.0g/cm3之间,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000)石墨化处理,密度可达2.0g/cm3;碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同,它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.7210-6-0.9010-6 K-1),而垂直于纤维方向是正值(3210-62210-6 K-1); 碳纤维的比热容一般为7.1210-1KJ/(kgK)。热导率随温度升高而下降; 碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25时,高模量为775/cm,高强度碳纤维为1500/cm。碳纤维的电动势为正值,而铝合金
12、的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。 (2)碳纤维的化学性质如下:碳纤维的化学性质与碳相识,它除能被强氧化剂氧化外,对一般碱性是惰性的。在空气中,温度高于400时则出现明显的氧化,生成CO与CO2。在不接触空气和氧化剂时,碳纤维具有突出的耐热性能,与其他材料相比,碳纤维要温度高于1500时强度才开始下降,而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能,如在液氮温度下也不脆化,它还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。表3-1 不同种类碳纤维的力学性能分类拉伸强度/GPa弹性模量/GPa高强度碳纤维2.94196高模量碳纤
13、维2.74225中模量碳纤维1.96372耐火材料0.26392碳质纤维1.18470石墨纤维0.9898 (3)碳(石墨)纤维的主要用途2.1.3辅助材料的选择固化剂 又名硬化剂、熟化剂或变定剂,是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。 树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应,使热固性树脂发生不可逆的变化过程,固化是通过添加固化(交联)剂来完成环氧树脂固化剂分类 a、碱性和酸性类固化剂:碱性类固化剂 包括脂肪族二胺和多胺、芳香族多胺、其它含氮化合物及改性脂肪胺。酸性类固化剂 包括有机酸、酸酐、和三氟化硼及其络合物。 b、加成型和催化型固化剂:加成型固化剂 这类固化剂与环氧基发生加成反
14、应构成固化产物一部分链段,并通过逐步聚合反应使线型分子交联成体型结构分子,这类固化剂又称瓜型固化剂。如一级胺、多元硫醇、多元酚、低分子聚酰胺、有机酸及酸酐和低缩合物固化剂等。催化型固化剂 这类固化剂仅对环氧树脂发生引发作用,打开环氧基后,催化环氧树脂本身聚合成网状结构,生成以醚键为主要结构的均聚物,而固化剂本身不产生交联反应。如叔胺、咪唑、双氰双胺、三氟化硼络合物、氯化亚锡、异辛酸亚锡及辛酸亚锡等。脱模剂 是一种用在两个彼此易于粘着的物体表面的一个界面涂层,它可使物体表面易于脱离、光滑及洁净。脱模剂用于玻璃纤维增强塑料、金属压铸、聚氨酯泡沫和弹性体、注塑热塑性塑料、真空发泡片材和挤压型材等各种
15、模压操作中。在模压中,有时其他塑料填加剂如增塑剂等会渗出到界面上,这时就需要一个表面脱除剂来除掉它。理论上,脱模剂应当具有较大的抗拉强度,以使它在与模压树脂经常接触时不容易磨光。特别是在树脂中有磨砂矿物填料或玻璃纤维增强料时尤其如此。脱模剂应有耐化学性,以便在与不同树脂的化学成份(特别是苯乙烯和胺类)接触时不被溶解。脱模剂还应具有耐热及应力性能,不易分解或磨损;脱模剂应粘合到模具上而不转移到被加工的制件上,以便不妨碍喷漆或其他二次加工操作。a、脱模剂类型及用途.按用法分类:内脱模剂、外脱模剂;.按寿命分类:常规脱模剂、半永久脱模剂;.按形态分类:溶剂型脱模剂、水性脱模剂、无溶剂型脱模剂、粉末脱
16、模剂、膏状脱模剂b、按活性物质分类:硅系列主要为硅氧烷化合物、硅油、硅树脂甲基支链硅油、甲基硅油、乳化甲基硅油、含氢甲基硅油、硅脂、硅树脂、硅橡胶、硅橡胶甲苯溶液、蜡系列植物、动物、合成石蜡;微晶石蜡;聚乙烯蜡等。氟系列隔离性能最好,对模具污染小,但成本高聚四氟乙烯;氟树脂粉末;氟树脂涂料等表面活性剂系列金属皂(阴离子性)、EO、PO衍生物(非离子性)无机粉末系列滑石、云母、陶土、白粘土等其它含掩蔽剂的含水脱模剂:用掩蔽剂固定水分子耐久型脱模剂:硅油硅树脂体系,800次以上多层复合型脱模剂:卤代烃膜聚乙烯脱模剂聚乙烯醇脱模剂芳香族聚砜类脱模剂模具处理之脱模剂含卤聚醚类脱模剂:降低蒸气压,提高分
17、解温度,不会引起带电接触羰烷基硅烷脱模剂:内脱模,提高对水性油墨表面粘合性反应型脱模剂:涂覆后自身进行化学反应成膜,同时与模具表面粘着以上是一些有代表性的脱模剂,它们具有各自的特征,并可根据用途分别使用。例如,用来作为纤维粘着带等的背面处理剂、剥离纸、防粘剂(电线杆、电话箱、招牌、标志),防污染用(内、外壁涂饰、车辆、路障、路栏等)防止粘合剂周围的余粘。c、脱模剂特点脱模性(润滑性)。形成均匀薄膜且形状复杂的成形物时,尺寸精确无误;脱模持续性好;成形物外观表面光滑美观,不因涂刷发粘的脱模剂而招致灰尘的粘着;二次加工性优越。当脱模剂转移到成形物时,对电镀、热压模、印刷、涂饰、粘合等加工物均无不良
18、影响;易涂布性;耐热性;耐污染性;成形好,生产效率高;稳定性好。与配合剂及材料并用时,其物理、化学性能稳定;不燃性,低气味,低毒性;d、脱模剂性能理论上,脱模剂应当具有较大的抗拉强度,以使它在与模压树脂经常接触时不容易磨光。特别是在树脂中有磨砂矿物填料或玻璃纤维增强料时尤其如此。脱模剂应有耐化学性,以便在与不同树脂的化学成份(特别是苯乙烯和胺类)接触时不被溶解。脱模剂还应具有耐热及应力性能,不易分解或磨损;脱模剂应粘合到模具上而不转移到被加工的制件上,以便不妨碍喷漆或其他二次加工操作。脱模剂化学原理、极性化学键与模具表面通过相互作用形成具有再生力的吸附型薄膜;、聚硅氧烷中的硅氧键可视为弱偶极子
19、(Si+-O-),当脱模剂在模具表面铺展成单子取向排列时,分子采取特有的伸展链构型;、自由表面被烷基以密集堆积方式覆盖,脱模能力随烷基密度而递增;但当烷占有较大空间位阻时,伸展构型受到限制,脱模能力又会降低;、脱模剂分子量大小和粘度也与脱模能力相关,分子量小时,铺展性好,但耐热能力差。脱模剂选择与评价脱模剂的选择常用的脱模剂有无机物、有机物以及高聚物三类。无机脱模剂,如滑石粉、云母粉以及陶土、白粘土等为主要组分配置的复合物,主要用作橡胶加工中胶片、半成品防粘用隔离剂。有机脱模剂包括脂肪酸皂(钾皂、钠皂、铵皂、锌皂等)、脂肪酸、石蜡、甘油、凡士林等。第三类脱模剂是高聚物,包括硅油、聚乙二醇、低分
20、子量聚乙烯等,它们的脱模剂效率和热稳定性比有机物脱模剂好得多。脱模剂通常有粉状、半固体和液体之分,粉状和半固体可像蜡脂一样用毛刷或手涂于模具表面。液体可用喷雾或毛刷等工具涂于模具表面,从而形成隔离膜。液体脱模剂以喷涂为佳。 综上所述,脱模剂的选择要点是:、脱模性优良,对于喷雾脱模剂表面张力应在1723 N/m之间。、具有耐热性,受热不发生炭化分解。、化学性能稳定,不与成型产品发生化学反应。、不影响塑料的二次加工性能。、不腐蚀模具,不污染制品,气味和毒性小。、外观光滑美观;、易涂布,生产效率高; e、脱模剂的复合使用为了得到良好的脱模效果和更加理想的制品,常常同时使用几种脱模剂,这样可以发挥多种
21、脱模剂的综合性能。本次选用外脱模剂。2.2模具结构与材料2.2.1模具结构模具分单模和对模两类。单模又分阳模和阴模两种,本文采用阴模(凹模)结构。如图2所示: 图2,阴模结构 阴模的优点:使用阴模成型的制品外表面光滑且尺寸准确。 可以根据需要设计成整体式或拼装式,以保证复杂制品脱模便利。2.2.2模具材料的选取 适用于帽型梁的模具材料有许多,以下是对几种模具材料的介绍:(1)殷瓦合金钢模具热膨胀系数小,常温下平均膨胀系数1.610-6/,且在室温80230时比较稳定。 强度、硬度不高,抗拉强度在590Mpa左右,屈服强度在410Mpa左右,布氏硬度在141HBS左右。 导热系数低,为10W/m
22、.K ,仅为45钢导热系数的1/4左右。 塑性、韧性、延伸率、断面收缩率以及冲击韧性都很高,延伸率 = 3045%,收缩率=5070%。冲击韧性K=130-310 J/cm2。 殷瓦不能热处理强化,其特性与奥氏体不锈钢类似,但比奥氏体不锈钢还要难加工。切削加工中主要表现为切削力大、切削温度高。在加工过程中,还具有软、粘特性和很大的塑性,不易断屑,加剧刀具的磨损,降低工件的加工精度,因而必须采用高性能刀具。(2)铝模具铝制模具重量轻,加工工艺性好,制造尺寸精度高,模具成本相对较低,并且在复合材料构件成型时有很好的导热性,模具升温速度快。但是铝的热膨胀系数相对较大,用其成型的复合材料制件尺寸稳定性
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