碳纖維/聚醚醚酮(PEEK)復合材料拉拔制管工藝設計和模擬

劉明瑞，嚴 飆，彭福軍，彭雄奇，尹紅靈

(1. 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200030；2. 空間飛行器機構重點實驗室(上海宇航系統(tǒng)工程研究所)，上海 201108)

在熱塑性復合材料中，聚醚醚酮(PEEK)以其高耐熱性、高強度、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度、高模量、低密度的增強材料碳纖維[3]結合形成的碳纖維/聚醚醚酮(PEEK)管材，則具備更加優(yōu)異的復合性能，并因其克服了普通熱塑性復合材料彈性模量低、軟化溫度低、抗溶劑差等缺點，而廣泛應用于衛(wèi)星、飛船、空間站在內的各類航天結構中[4-6].纏繞成形和拉拔成形是兩種最主要的管工藝[7-8]，但工藝所需設備占地面積大且自動化水平低，不利于在空間站內進行在軌連續(xù)快速制造.在國內，太空大型桁架結構件的制造、裝配和展開驗證技術，特別是復合材料多向接頭和全復合材料桁架結構的制造技術尚處于起步階段，成型工藝的手段單一，自動化水平低，部分復雜結構多采用手工工藝制造，存在生產效率低、質量不穩(wěn)定、制造成本高等缺點[9]，因此，亟需提高我國太空制造碳纖維/PEEK的工藝水平.

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

1 拉拔成形工程樣機原型設計

1.1 拉拔成形工程樣機設計

拉拔成形工程樣機的三維模型如圖1所示.它包括儲料裝置、拉拔成形裝置、模具加熱裝置、焊接裝置等.通過對這幾個模塊進行功能需求分析、設計，針對熱塑性帶材卷曲加工成管材的材料狀態(tài)變化，進一步分析其應力應變分布，指導機構設計與電氣控制，實現(xiàn)碳纖維/PEEK復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 拉拔成形工程樣機各部件說明

1.2.1 供料放卷段結構設計

圖2為熱塑性帶材供料放卷段CAD模型.料卷通過機械手臂安裝至供給工位，經導向裝置釋放至平直狀態(tài)，隨著釋放進行，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向輥的相對位置，進而分析料卷經導向輥釋放至平直過程中帶材的應力分布情況，驗證該設計方案的可行性.

1—料卷；2—碳纖維/PEEK層合板；3—導向輥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 卷曲成形段結構設計

圖3為沖壓拉拔階段三維模型圖.平直帶材進入加熱管道進一步加熱，并經過卷曲輔助成形模具逐步過渡至完全卷曲狀態(tài).該過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均勻排列.通過對高溫狀態(tài)下帶材成形過程的應力應變分析，獲得相關結果以便指導加熱模塊和成形模具的設計.

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 管材成形結構示意圖Fig.3 Schematic of tube forming section

1.2.3 焊接成形段結構設計

帶材經過渡段卷曲成管材后形成一條連續(xù)或離散的搭接面，經焊接工藝處理后保證管材的各項性能.焊接采用超聲發(fā)生器提供高頻振動信號作用于一定寬度的搭接面上，通過熱塑性樹脂間的熔融粘結形成界面層，在該焊接區(qū)域處會形成應力集中.通過確定搭接寬度、焊頭寬度與焊接步距，進而分析焊接后的管材應力分布情況，確定焊接過程對管材表面質量的影響.

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浸料的疊層材料模型[11]，如圖4所示.兩外層采用C3D8R實體單元表征厚度為0.33 mm的PEEK層，中間層采用C3D8R體單元表征厚度為0.33 mm的碳纖維機織物.基于樹脂基體與碳纖維機織物完全結合的假設，層與層之間采用共節(jié)點的接觸方式，并在Hypermesh軟件中進行網格質量檢測，保證雅克比值大于0.7.

1—熱塑性基體；2—二維機織物增強體；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.模擬過程中采用傳統(tǒng)的Johnson-Cook本構模型:

(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

碳纖維機織物采用Holzapfel-Gasser-Ogden模型[13]來描述其各向異性超彈性行為.不考慮溫度對應變能密度函數(shù)的影響，并假設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分別為二維機織物經、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單軸拉伸應變能密度與應變曲線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 材料放卷過程分析

2.2.1 邊界條件設置

圖2放料段CAE模型中1、3均作為剛性結構，其中料卷可以轉動，轉動放料的速度應適當小于板料展平的速度，需要在實際模擬中確定.上導向輥逆時針轉，下導向輥順時針轉動，轉速大小相同.材料的一端用Ties的約束方式固定于卷料筒上，另一端在導向輥之間，并作用有水平向右的位移.

2.2.2 放卷過程模擬結果分析

將料卷的中心選取為原點，導向輥1坐標(60，-400)，導向輥2(320，-400)，卷料半徑為160 mm情況下進行模擬.卷料共有105 984個節(jié)點，77 691個單元.分析步采用動態(tài)顯示算法，計算總時長設置為1.編織碳纖維方向與材料運輸方向成0°/90°，沿著單層板放卷方向的應力分布如圖6所示，可以看出，材料從放卷到展平過程中沿x方向的力逐漸增大.在送料過程中，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方向的力學性能.選取放卷過程中單元內沿x,y方向的最大應力分量和面內剪切應力的最大值

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

(5)

采用蔡-希爾理論進行加工過程破壞判定，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方向和面內剪切的破壞強度.

(6)

式(6)說明料卷和導向軌的位置和大小設計的比較合理，放卷過程可以實現(xiàn).

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

3 卷曲成形段分析

板材經過輔助模具卷曲成形是關鍵性步驟.決定能否成形出管材及管材質量是否符合實際需求.

3.1 工步分析

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

3.2 卷曲成形過程模擬結果分析

選取下模具導入口半徑80 mm，導出半徑30 mm，長度為400 mm.在固定溫度450 K下進行卷曲成形模擬.板料共有16 616個節(jié)點，11 970個單元.沖壓和拉拔分析步均采用動態(tài)顯示算法，每個分析步的計算總時長設為1. 板料和上下模具設置為面接觸，摩擦系數(shù)設為0.1.圖7展示了沿材料拉伸方向的應力分布，可以看出,材料應力分布比較均勻且整體應力值較小.選取單元中沿著x,y方向的最大應力分量和面內剪切應力的最大值：

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

(7)

利用蔡-希爾理論進行加工過程破壞判定，計算結果0.091<1.證明模具結構設計簡單合理，減少了人工參與，易于實現(xiàn)自動化生產.

圖7 拉拔成形x方向應力分布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高頻振動信號作用于一定寬度的搭接面上，通過熱塑性樹脂間的熔融粘結形成界面層，在該焊接區(qū)域處會形成應力集中，因此，針對成形長度100 mm、內徑30 mm的管材在焊接作用下需分析其應力的分布狀態(tài).

4.1 CAE模型的建立

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

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

4.2 焊接成形模擬結果分析

焊接選取的是成形過程中的一段管材，管材兩端固定，管材初始溫度設置為450 K，焊接處設置溫度570 K.模擬過程中，焊接管有7 833個節(jié)點，5 580個單元.采用動態(tài)顯示分析步，計算時間設為1.設定焊頭寬度8 mm，焊頭長度10 mm，步進距離10 mm.模擬結果如圖8所示,其中管材搭接處的搭接長度為2 mm.

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

圖8 焊接部分應力分布Fig.8 Stress distribution of welding section

5 結 語

1) 在太空制造的大背景下，設計了一套在軌拉拔制管的工藝方案，適當?shù)姆纸獠襟E，簡化了模型.

2) 確定了放卷過程中料卷和導軌之間的相對位置，分析了放卷過程中的應力分布情況，采用蔡-希爾最大變形能理論證明了所設計的放卷過程不會引起材料的破壞.

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

4) 焊接段選取焊頭寬度8 mm，焊頭長度10 mm，步進距離10 mm的焊接方案，模擬結果證明了該方案對成型管材的表面產生的應力均勻，對管材表面質量影響較小.

后續(xù)研究計劃如下：

1) 根據本文設計的連續(xù)拉拔工藝，制造工程樣機并在地面環(huán)境下進行實驗，驗證該工藝方案的可行性.

2) 模擬過程中考慮太空微重力環(huán)境對材料成形質量的影響，進一步討論在軌拉拔工藝的可靠性.