劉明瑞，嚴(yán) 飆，彭福軍，彭雄奇，尹紅靈

(1. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030；2. 空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海宇航系統(tǒng)工程研究所)，上海 201108)

在熱塑性復(fù)合材料中，聚醚醚酮(PEEK)以其高耐熱性、高強(qiáng)度、高模量、高韌性等優(yōu)異的綜合性能備受青睞[1-2].聚醚醚酮與具有高強(qiáng)度、高模量、低密度的增強(qiáng)材料碳纖維[3]結(jié)合形成的碳纖維/聚醚醚酮(PEEK)管材，則具備更加優(yōu)異的復(fù)合性能，并因其克服了普通熱塑性復(fù)合材料彈性模量低、軟化溫度低、抗溶劑差等缺點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船、空間站在內(nèi)的各類航天結(jié)構(gòu)中[4-6].纏繞成形和拉拔成形是兩種最主要的管工藝[7-8]，但工藝所需設(shè)備占地面積大且自動(dòng)化水平低，不利于在空間站內(nèi)進(jìn)行在軌連續(xù)快速制造.在國(guó)內(nèi)，太空大型桁架結(jié)構(gòu)件的制造、裝配和展開驗(yàn)證技術(shù)，特別是復(fù)合材料多向接頭和全復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)尚處于起步階段，成型工藝的手段單一，自動(dòng)化水平低，部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)多采用手工工藝制造，存在生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、制造成本高等缺點(diǎn)[9]，因此，亟需提高我國(guó)太空制造碳纖維/PEEK的工藝水平.

本文提出了碳纖維熱塑性復(fù)合材料管材拉拔成形技術(shù)，采用火箭將碳纖維/PEEK熱塑性預(yù)浸復(fù)合帶材運(yùn)送入軌，由太空制造機(jī)器人完成碳纖維管材的拉拔成型.該方法可實(shí)現(xiàn)管材結(jié)構(gòu)的按需快速制造，既消除了運(yùn)載瓶頸與尺寸限制，又節(jié)省貯存空間、降低成本，為空間大型設(shè)施的建設(shè)奠定基礎(chǔ).與地面環(huán)境相比，太空環(huán)境包括：微重力場(chǎng)，高真空，不同的輻射條件和空間的無(wú)限性.其中最為突出的是微重力場(chǎng)[10].由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，暫無(wú)法獲得碳纖維/PEEK在太空微重力條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為此，利用有限元法分段模擬地面環(huán)境下復(fù)合帶材拉拔制管工藝各個(gè)工序，模擬驗(yàn)證了該工藝的可行性，對(duì)后續(xù)復(fù)合材料在軌制管的工藝設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)有明確的借鑒和指導(dǎo)意義.

1 拉拔成形工程樣機(jī)原型設(shè)計(jì)

1.1 拉拔成形工程樣機(jī)設(shè)計(jì)

拉拔成形工程樣機(jī)的三維模型如圖1所示.它包括儲(chǔ)料裝置、拉拔成形裝置、模具加熱裝置、焊接裝置等.通過(guò)對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行功能需求分析、設(shè)計(jì)，針對(duì)熱塑性帶材卷曲加工成管材的材料狀態(tài)變化，進(jìn)一步分析其應(yīng)力應(yīng)變分布，指導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與電氣控制，實(shí)現(xiàn)碳纖維/PEEK復(fù)合材料板材的拉拔成管.

圖1 制管工藝示意圖Fig.1 Schematic of tube-making process

1.2 拉拔成形工程樣機(jī)各部件說(shuō)明

1.2.1 供料放卷段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為熱塑性帶材供料放卷段CAD模型.料卷通過(guò)機(jī)械手臂安裝至供給工位，經(jīng)導(dǎo)向裝置釋放至平直狀態(tài)，隨著釋放進(jìn)行，料卷半徑逐漸變小，在有限元分析中，首先確定料卷半徑與導(dǎo)向輥的相對(duì)位置，進(jìn)而分析料卷經(jīng)導(dǎo)向輥釋放至平直過(guò)程中帶材的應(yīng)力分布情況，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性.

1—料卷；2—碳纖維/PEEK層合板；3—導(dǎo)向輥1—Material roller; 2—Carbon fiber/PEEK composite; 3—Guide roller圖2 供料放卷段示意圖Fig.2 Schematic of material sending section

1.2.2 卷曲成形段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為沖壓拉拔階段三維模型圖.平直帶材進(jìn)入加熱管道進(jìn)一步加熱，并經(jīng)過(guò)卷曲輔助成形模具逐步過(guò)渡至完全卷曲狀態(tài).該過(guò)程采用電加熱管道輻射傳熱至帶材，卷曲輔助成形模具也采用電加熱方式，并與芯軸支架在管道內(nèi)均勻排列.通過(guò)對(duì)高溫狀態(tài)下帶材成形過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變分析，獲得相關(guān)結(jié)果以便指導(dǎo)加熱模塊和成形模具的設(shè)計(jì).

1—上模具；2—碳纖維/PEEK層合板；3—下模具1—Upper die; 2—Carbon fiber/PEEK composite; 3—Lower die圖3 管材成形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of tube forming section

1.2.3 焊接成形段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶材經(jīng)過(guò)渡段卷曲成管材后形成一條連續(xù)或離散的搭接面，經(jīng)焊接工藝處理后保證管材的各項(xiàng)性能.焊接采用超聲發(fā)生器提供高頻振動(dòng)信號(hào)作用于一定寬度的搭接面上，通過(guò)熱塑性樹脂間的熔融粘結(jié)形成界面層，在該焊接區(qū)域處會(huì)形成應(yīng)力集中.通過(guò)確定搭接寬度、焊頭寬度與焊接步距，進(jìn)而分析焊接后的管材應(yīng)力分布情況，確定焊接過(guò)程對(duì)管材表面質(zhì)量的影響.

2 地面環(huán)境下拉拔成形的CAE分析

2.1 材料模型的建立

2.1.1 疊層模型

本文采用PEEK樹脂與碳纖維編織物預(yù)浸料的疊層材料模型[11]，如圖4所示.兩外層采用C3D8R實(shí)體單元表征厚度為0.33 mm的PEEK層，中間層采用C3D8R體單元表征厚度為0.33 mm的碳纖維機(jī)織物.基于樹脂基體與碳纖維機(jī)織物完全結(jié)合的假設(shè)，層與層之間采用共節(jié)點(diǎn)的接觸方式，并在Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢測(cè)，保證雅克比值大于0.7.

1—熱塑性基體；2—二維機(jī)織物增強(qiáng)體；3—熱塑性基體1—Thermoplastic resin; 2—Carbon fiber; 3—Thermopalstic resin圖4 疊層有限元模型網(wǎng)格分布Fig.4 Mesh distribution of the three-layer finite element model

2.1.2 PEEK材料模型

PEEK樹脂密度為1.304 g/cm3，彈性模量4 600 MPa，泊松比0.38.模擬過(guò)程中采用傳統(tǒng)的Johnson-Cook本構(gòu)模型:

(1)

A=24.5 MPa,B=3.1 MPa,n=2.32,C=0.078,

m=0.462,T0=438 K,Tm=616 K .

(2)

2.1.3 碳纖維織物材料模型

碳纖維機(jī)織物采用Holzapfel-Gasser-Ogden模型[13]來(lái)描述其各向異性超彈性行為.不考慮溫度對(duì)應(yīng)變能密度函數(shù)的影響，并假設(shè)所有纖維都是沿同一方向排列且纖維是不可壓縮的，二維編織纖維布可以表示為

(3)

式中：λa和λb分別為二維機(jī)織物經(jīng)、緯紗線方向的纖維拉伸比；W為能量密度；k1,k2為材料參數(shù).

如圖5所示，通過(guò)擬合碳纖維編織物的單向拉伸的能量密度函數(shù)[14]獲得式(3)中k1,k2的具體數(shù)值.

圖5 T700-12K單軸拉伸應(yīng)變能密度與應(yīng)變曲線Fig.5 T700-12K uniaxial tension strain energy density versus strain curve

平紋碳纖維編織物的能量密度參數(shù)為

k1=16.48 MPa,k2=0.996 6 .

(4)

2.2 材料放卷過(guò)程分析

2.2.1 邊界條件設(shè)置

圖2放料段CAE模型中1、3均作為剛性結(jié)構(gòu)，其中料卷可以轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)放料的速度應(yīng)適當(dāng)小于板料展平的速度，需要在實(shí)際模擬中確定.上導(dǎo)向輥逆時(shí)針轉(zhuǎn)，下導(dǎo)向輥?lái)槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速大小相同.材料的一端用Ties的約束方式固定于卷料筒上，另一端在導(dǎo)向輥之間，并作用有水平向右的位移.

2.2.2 放卷過(guò)程模擬結(jié)果分析

將料卷的中心選取為原點(diǎn)，導(dǎo)向輥1坐標(biāo)(60，-400)，導(dǎo)向輥2(320，-400)，卷料半徑為160 mm情況下進(jìn)行模擬.卷料共有105 984個(gè)節(jié)點(diǎn)，77 691個(gè)單元.分析步采用動(dòng)態(tài)顯示算法，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為1.編織碳纖維方向與材料運(yùn)輸方向成0°/90°，沿著單層板放卷方向的應(yīng)力分布如圖6所示，可以看出，材料從放卷到展平過(guò)程中沿x方向的力逐漸增大.在送料過(guò)程中，材料表面有一定張力，能夠提高纖維取向的一致性，可以提高材料x方向的力學(xué)性能.選取放卷過(guò)程中單元內(nèi)沿x,y方向的最大應(yīng)力分量和面內(nèi)剪切應(yīng)力的最大值

σx=36.79 MPa,σy=13.09 MPa,τxy=10.06 MPa.

(5)

采用蔡-希爾理論進(jìn)行加工過(guò)程破壞判定，選取X=Y=1.81 GPa,S=75 MPa[15-16].X,Y,S分別代表材料沿著x,y方向和面內(nèi)剪切的破壞強(qiáng)度.

(6)

式(6)說(shuō)明料卷和導(dǎo)向軌的位置和大小設(shè)計(jì)的比較合理，放卷過(guò)程可以實(shí)現(xiàn).

圖6 放卷成形段x方向應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of material sending section along x direction

3 卷曲成形段分析

板材經(jīng)過(guò)輔助模具卷曲成形是關(guān)鍵性步驟.決定能否成形出管材及管材質(zhì)量是否符合實(shí)際需求.

3.1 工步分析

成形過(guò)程包括兩個(gè)工步：1)板材在高溫輔助成形模具中經(jīng)過(guò)預(yù)壓成形，形成喇叭狀的預(yù)成形件； 2)將預(yù)成形件通過(guò)圓形的拉拔模具，在外力的拉擠作用下繼續(xù)成形為管材.整個(gè)成形過(guò)程是連續(xù)的.板料卷曲成形過(guò)程中有沖壓和拉拔兩個(gè)階段，在沖壓階段由于模具結(jié)構(gòu)的特殊性，不適合采用壓邊圈，而在拉拔階段板料與模具接觸關(guān)系也比較復(fù)雜，加上材料模型的復(fù)雜與特殊性，采取動(dòng)力學(xué)顯式分析方式.

3.2 卷曲成形過(guò)程模擬結(jié)果分析

選取下模具導(dǎo)入口半徑80 mm，導(dǎo)出半徑30 mm，長(zhǎng)度為400 mm.在固定溫度450 K下進(jìn)行卷曲成形模擬.板料共有16 616個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 970個(gè)單元.沖壓和拉拔分析步均采用動(dòng)態(tài)顯示算法，每個(gè)分析步的計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)設(shè)為1. 板料和上下模具設(shè)置為面接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1.圖7展示了沿材料拉伸方向的應(yīng)力分布，可以看出,材料應(yīng)力分布比較均勻且整體應(yīng)力值較小.選取單元中沿著x,y方向的最大應(yīng)力分量和面內(nèi)剪切應(yīng)力的最大值：

σx=37.48 MPa,σy=50.99 MPa,τxy=79.55 MPa.

(7)

利用蔡-希爾理論進(jìn)行加工過(guò)程破壞判定，計(jì)算結(jié)果0.091<1.證明模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，減少了人工參與，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn).

圖7 拉拔成形x方向應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of pultrusion section along x direction

4 焊接成形段分析

焊接采用超聲發(fā)生器提供20 kHz高頻振動(dòng)信號(hào)作用于一定寬度的搭接面上，通過(guò)熱塑性樹脂間的熔融粘結(jié)形成界面層，在該焊接區(qū)域處會(huì)形成應(yīng)力集中，因此，針對(duì)成形長(zhǎng)度100 mm、內(nèi)徑30 mm的管材在焊接作用下需分析其應(yīng)力的分布狀態(tài).

4.1 CAE模型的建立

根據(jù)焊接段的分析要求，建立焊接模型，焊接管長(zhǎng)100 mm，內(nèi)徑30 mm.PEEK材料和碳纖維縱橫向的熱傳導(dǎo)、熱膨脹系數(shù)通過(guò)查閱資料可得[17-20]，具體數(shù)值見(jiàn)表1.

表1 碳纖維/PEEK復(fù)合材料熱傳導(dǎo)與熱膨脹系數(shù)Table 1 Thermal conductivity and expansion coefficients of the carbon fiber/PEEK composite

4.2 焊接成形模擬結(jié)果分析

焊接選取的是成形過(guò)程中的一段管材，管材兩端固定，管材初始溫度設(shè)置為450 K，焊接處設(shè)置溫度570 K.模擬過(guò)程中，焊接管有7 833個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 580個(gè)單元.采用動(dòng)態(tài)顯示分析步，計(jì)算時(shí)間設(shè)為1.設(shè)定焊頭寬度8 mm，焊頭長(zhǎng)度10 mm，步進(jìn)距離10 mm.模擬結(jié)果如圖8所示,其中管材搭接處的搭接長(zhǎng)度為2 mm.

由模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維對(duì)焊接過(guò)程影響不大，采用Mises應(yīng)力來(lái)表征各向同性基體材料PEEK的應(yīng)力分布情況.焊接成形階段的Mises應(yīng)力最大為46.92 MPa，由于有碳纖維增強(qiáng)體的存在不會(huì)引起管材表面的破裂[14].許志武等[21]研究了碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料的超聲波焊接過(guò)程，證明了對(duì)于熱塑性復(fù)合材料，當(dāng)預(yù)熱溫度高于基體的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，接頭界面樹脂的熔合率可達(dá)到100%.焊接管材450 K高于PEEK的玻璃轉(zhuǎn)化溫度416 K，該結(jié)論可以證明焊接過(guò)程的可行性.由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),管材焊接成形應(yīng)力集中區(qū)域小，整個(gè)焊接部位的應(yīng)力分布比較均勻，管材變形程度小，說(shuō)明本文的超聲波焊接方案可以用于實(shí)際生產(chǎn).

圖8 焊接部分應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of welding section

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 在太空制造的大背景下，設(shè)計(jì)了一套在軌拉拔制管的工藝方案，適當(dāng)?shù)姆纸獠襟E，簡(jiǎn)化了模型.

2) 確定了放卷過(guò)程中料卷和導(dǎo)軌之間的相對(duì)位置，分析了放卷過(guò)程中的應(yīng)力分布情況，采用蔡-希爾最大變形能理論證明了所設(shè)計(jì)的放卷過(guò)程不會(huì)引起材料的破壞.

3) 創(chuàng)造性的提出了卷曲拉擠成型方式，分析了卷曲拉擠過(guò)程中的應(yīng)力情況，證明了入口半徑80 mm，導(dǎo)出口半徑30 mm，長(zhǎng)度為400 mm的卷曲成形模具可以進(jìn)行連續(xù)制管，且不會(huì)造成材料破壞.

4) 焊接段選取焊頭寬度8 mm，焊頭長(zhǎng)度10 mm，步進(jìn)距離10 mm的焊接方案，模擬結(jié)果證明了該方案對(duì)成型管材的表面產(chǎn)生的應(yīng)力均勻，對(duì)管材表面質(zhì)量影響較小.

后續(xù)研究計(jì)劃如下：

1) 根據(jù)本文設(shè)計(jì)的連續(xù)拉拔工藝，制造工程樣機(jī)并在地面環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該工藝方案的可行性.

2) 模擬過(guò)程中考慮太空微重力環(huán)境對(duì)材料成形質(zhì)量的影響，進(jìn)一步討論在軌拉拔工藝的可靠性.