Ръководство за начинаещи за дизайн на подреждане от въглеродни влакна
Като усъвършенстван композитен материал, въглеродните влакна имат предимствата на леко тегло, висока якост и силна устойчивост на корозия. Той се използва широко в космическата промишленост, автомобилостроенето, промишленото оборудване и спортните стоки. Въпреки това, уникалните свойства на въглеродните влакна не се постигат от самия материал, а се освобождават чрез научен и разумен дизайн. Дизайнът на подредбата е сложен технически проект, който изисква цялостно разглеждане на фактори като свойства на материала, механични изисквания и производствени процеси. Тази статия ще ви предостави пълно ръководство за проектиране на подреждане от въглеродни влакна от основни познания, стъпки на проектиране до технология на инструмента.
A. Основна концепция за подреждане на въглеродни влакна
1. Характеристики на въглеродните влакнаВъглеродните влакна са високоефективни влакнести материали, съставени от въглеродни елементи. Неговите основни свойства включват: Висока якост и висок модул: Неговата якост на опън може да достигне повече от 10 пъти тази на стоманата, докато плътността му е само 1/4 от тази на стоманата. Отлична устойчивост на корозия: Въглеродните влакна имат стабилна производителност в повечето киселинни и алкални среди. Топлинна и електрическа проводимост: Въглеродните влакна имат добра топлопроводимост и електрическа проводимост и са подходящи за определени специални области. Въпреки това, въглеродните влакна също имат своите ограничения, като например: Анизотропия: Ефективността на въглеродните влакна в различни посоки варира значително, което трябва да бъде компенсирано от дизайна на слоя. Чупливост: При силно натоварване въглеродните влакна могат да претърпят крехко счупване.
2. Композитни материали от въглеродни влакнаВъглеродните влакна обикновено не се използват самостоятелно, а се комбинират с матричен материал (като епоксидна смола), за да се образува композитен материал. Матричният материал играе роля в свързването и пренасянето на товари в композитния материал, като същевременно осигурява определена устойчивост на удар. Ефективността на композитния материал зависи от свойствата на въглеродните влакна и материала на матрицата и от начина, по който са положени слоевете.
B. Основни принципи на подреждане на въглеродни влакна
1. СиметрияСиметрията на полагане е един от основните принципи на дизайна на структурата от въглеродни влакна. С неутралната ос като отправна точка, подреждането трябва да е симетрично от двете страни. Значението на симетричния дизайн включва: Намаляване на разликите в топлинното разширение: Предотвратяване на структурата от изкривяване или усукване поради температурни промени. Равномерно разпределение на напрежението: Избягване на локална концентрация на напрежение поради асиметрия.
2. БалансБалансът на полагането означава, че изпълнението на нареждането в различни посоки трябва да бъде балансирано. Например, съотношението на сгъване в посока ±45 градуса трябва да бъде последователно, за да се намали торсионният дисбаланс на конструкцията при срязващо натоварване.
3. Контрол на дебелината на слояДебелината на всеки слой въглеродни влакна обикновено е {{0}}.125 mm до 0,25 mm, а специфичната дебелина зависи от производствения процес и изискванията за проектиране. Общата дебелина трябва да се определи чрез оптимизационно изчисление, което не само отговаря на механичните свойства, но и не добавя ненужно тегло.
4. Интерфейсно свързванеСилата на свързване на интерфейса пряко влияе върху цялостната производителност на подреждането. За да се подобри здравината на свързване на интерфейса, могат да се предприемат следните мерки: Плазмено третиране или химическо ецване на повърхността на въглеродните влакна. Използвайте високоефективна матрица от епоксидна смола. Приложете подходящ натиск по време на процеса на поставяне, за да избегнете празнини.
C. Основни познания за дизайна на подредбата от въглеродни влакна
1. Посока на полагане и механични свойстваМеханичните свойства на въглеродните влакна са много насочени. Следват три основни посоки на полагане и техните характеристики: 0 градусова посока: осигурява максимална якост на опън и натиск, подходяща за основната посока на сила. Посока на 90 градуса: подобрява страничната твърдост и здравина на конструкцията и избягва страничната деформация. Посока ±45 градуса: осигурява устойчивост на срязване, особено устойчивост на усукване. Научният избор на посоката на полагане може значително да подобри механичните характеристики на композитните материали в множество посоки.
2. Последователност на полаганеПоследователността на полагане пряко влияе върху цялостната производителност на въглеродните влакна. Типичният дизайн на последователността на полагане трябва да отговаря на следните условия: Симетрия: Последователността на полагане трябва да бъде симетрична спрямо неутралната ос. Многоъглова комбинация: След изпълнение на изискванията за якост на основното направление, посоките 90 градуса и ±45 градуса се разпределят по подходящ начин. Оптимална последователност на подреждане: уверете се, че външният слой на слоя може да издържи на въздействието на околната среда и механичното въздействие, а вътрешният слой на слоя подобрява цялостното структурно представяне.
3. Разумно разпределение на дебелината на слояОбщата дебелина се определя от изискванията за натоварване и изискванията за леко тегло. Обичайната стратегия за проектиране е: основният слой на посоката представлява 60%~70%. Напречните слоеве и срязващите слоеве заедно представляват 30%~40%.
D. Стъпки на дизайна на подредбата от въглеродни влакна
1. Определете целите на дизайна.Целите на дизайна включват: Цели за ефективност: здравина, твърдост, устойчивост на удар и др. Адаптивност към околната среда: устойчивост на висока температура, устойчивост на влага или устойчивост на корозия. Икономия: оптимизиране на материалите и производствените разходи.
2. Изберете материали.Изберете типа въглеродни влакна (висока якост, висок модул или стандартен модул) и матричен материал (епоксидна смола, фенолна смола и т.н.) според изискванията на дизайна.
3. Дизайн на ъгъла на слоя.Дизайнът на ъгъла на слоя трябва да се определи според вида на натоварването: Натоварване на опън: главно в посока на 0 градуса. Натоварване на огъване: добавете слоеве с посока от 90 градуса. Натоварване на срязване: добавете равномерно разпределени слоеве с посока ±45 градуса.
4. Симулационен анализ и оптимизация.Проверете рационалността на дизайна на слоя чрез инструменти за анализ на крайни елементи. Симулационният анализ включва: Разпределение на напрежението и деформацията. Сила на свързване между слоевете. Цялостно изкривяване и прогнозиране на деформация.
5. Производство и контрол на качеството.Производственият процес трябва стриктно да следва спецификациите на дизайна, за да се гарантира точността на ъгъла на слоя, дебелината и качеството на интерфейса.
E. Често срещани проблеми и решения на подреждането на въглеродни влакна
1. Пилинг Пилингпроблемите обикновено се причиняват от недостатъчно междуфазово свързване. Решение: Оптимизирайте избора на смола. Подобрете точността на процеса на поставяне.
2. Изкривяване и деформацияИзкривяването се причинява от асиметричен дизайн или производствени дефекти. Чрез осигуряване на симетрия на подреждането и оптимизиране на процеса на втвърдяване, проблемът с изкривяването може да бъде ефективно намален.
3. Материални отпадъциМатериалните отпадъци често са причинени от прекомерен дизайн. Чрез оптимизиране на структурата на подредбата чрез симулационен анализ, разходите могат да бъдат намалени, като същевременно се гарантира производителност.
4. Дисбаланс на срязванеДисбалансът на срязване се причинява най-вече от недостатъчно подреждане в посока ±45 градуса. Напрежението на срязване може да се балансира чрез регулиране на съотношението на сгъване.
F. Приложение за инструменти и технологии
1. Често използвани инструменти за проектиране и симулацияANSYS: Механичен анализ на композитни материали. Abaqus: Динамична симулация и стрес тестване. HyperWorks : Оптимизиране на полагането и анализ на умората.
2. Автоматизирана технология за полаганеПонастоящем в индустрията се използва автоматизирано оборудване за полагане (ATL и AFP), което може значително да подобри ефективността на производството и точността на полагане.
3. Дизайн за оптимизация, управляван от данниВъз основа на големи данни и алгоритми за оптимизиране на изкуствен интелект, ефективността и надеждността на дизайна на подреждането могат да бъдат подобрени чрез голямо количество исторически данни и изчисления в реално време.
Ж. Бъдеща посока на развитие
Материална иновация:Разработете нови смоли и подсилващи влакна, за да подобрите работата на интерфейса.
Интелигентно производство:Въведете роботизирана технология за наслояване, за да подобрите ефективността на производството.
Ниска цена:Намалете разходите за въглеродни влакна и техните композитни материали чрез широкомащабно производство.
Обобщете
Дизайнът на подреждане от въглеродни влакна е основната технология за постигане на отлична производителност на композитните материали, която преминава през целия процес на избор на материал, структурен дизайн и производствен процес. Това ръководство систематично анализира ключовите точки на подреждането на въглеродни влакна чрез основни концепции, технически подробности, инструменти и технически добавки. С развитието на технологията дизайнът на подредбата от въглеродни влакна ще бъде допълнително оптимизиран и ще се превърне във важна движеща сила за широкото приложение на леки конструкции.
