三维正交纤维增强复合材料箱梁结构机织法与成型工艺研究

刘婷婷，王益轩，姚 超，刘 育，王 瑶

(西安工程大学 机电工程学院，西安 710048)



三维正交纤维增强复合材料箱梁结构机织法与成型工艺研究

刘婷婷，王益轩，姚 超，刘 育，王 瑶

(西安工程大学 机电工程学院，西安 710048)

本文主要介绍三维正交纤维增强复合材料箱梁结构机织物的织造方法，阐述了纤维增强复合材料在织造过程中形成一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物的织造方法，并在Pro/E软件里建立箱梁结构机织物预制件的几何模型，详细介绍了箱梁结构机织物预制件的成型工艺。为研究箱梁结构复合材料机织物预制件的织造方法、成型工艺和力学特性设计计算打下了良好基础；为开发纤维增强复合材料箱梁结构新产品提供了一个有效途径。

三维正交纤维增强复合材料；箱梁结构件；机织方法；RTM工艺；VARTM工艺

1　引 言

随着我国经济的快速发展，有相当一部分的钢筋混凝土桥梁由于施工不当，结构老化，环境恶劣，超载等原因已经不能满足日益增长的交通量的需要，因此频繁发生事故。桥梁的修复，重建已刻不容缓，对材料的性能要求越来越高。

纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、抗腐蚀、耐疲劳等特性,将其应用到桥梁进行加固是目前较理想的一种加固方法。纤维增强复合材料是由包裹在树脂母体中的微细纤维生成的复合材料。纤维起到加劲增强的作用,而树脂起到粘合纤维的作用，通过树脂传递纤维布与混凝土之间的剪力，达到增强桥梁强度的目的[1]。

三维正交机织物是由经纱，纬纱和接结纱相互垂直交织而成，其显著特点是起增强作用的经纱与纬纱在织物内几乎呈伸直状态，同时在厚度方向有一组经纱连接，从而可明显改善复合材料在第三方向即厚度方向的机械性能。

本文主要介绍三维正交纤维增强复合材料箱梁结构机织物的织造方法，并在Pro/E里建立箱梁结构预制件的几何模型，对其成型工艺进行研究。

2　箱梁结构预制件的机织方法

箱梁结构预制件的织造方法主要有机织、针织和编织等方法，其中机织方法因其具有大的纤维体积比、纤维伸直度好、预制件紧密和高的机械刚强度等织造特点非常适合于大型、细长型箱梁结构件的织造。机织方法中适合于织造箱梁结构的有三维双向正交交织机织物和三维间隔机织物，本文主要介绍双向正交交织机织物的织造方法。

2.1一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物织造方法

采用双向开口织造完全交织的三维组织，即多层经纱的纵向(垂直)和横向(水平)分别形成开口(在织物的截面)，使多层经纱与两组正交纬纱相互交织[2]。由此设计出一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物，如图1所示。

图1　一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物截面

以图2(a)经纱为例，简要介绍一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物织造过程，如图2所示。

(1) 纵向经纱Zj1、Zj2、 Zj3、 Zj4最初处于水平位置[图2(a)]。纵向经纱Zj2、Zj3垂直向下进步1/2间距，在垂直方向形成开口。水平开口引入横向纬纱Xi1、Xi2、 Xi3、Xi4[图2(b)]与4层经纱Z形成交织[图2(c)]。纵向经纱Zj1、Zj4垂直向下进步1/2间距，在垂直方向形成开口，水平开口引入横向纬纱Xi1、Xi2、 Xi3、Xi4 [图2(d)]与4层经纱Z形成交织[图2(e)]。

(2)横向经纱Zi2、 Zi4水平向右进步1/2间距，在水平方向形成开口。垂直开口引入纵向纬纱Yj1、Yj2、 Yj3、Yj4 [图2(f)]与4层经纱Z形成交织[图2(g)]。横向经纱Zi1、 Zi3水平向右进步1/2间距，在水平方向形成开口，垂直引入纵向纬纱Yj1、Yj2、 Yj3、Yj4 [图2(h)]与4层经纱Z形成交织[图2(i)]。

(3) 纵向经纱Zj2、Zj4垂直向下进步1/2间距，在垂直方向形成开口。水平开口引入横向纬纱Xi1’、 Xi2’、 Xi3’、Xi4’[图2(j)]与4层经纱Z形成交织[图2(k)]。纵向经纱Zj1、Zj3垂直向下进步1/2间距，在垂直方向形成开口，水平开口引入横向纬纱Xi1’、 Xi2’、 Xi3’、Xi4’[图2(l)]与4层经纱Z形成交织[图2(m)]。

(4) 横向经纱Zi2、Zi3水平向右进步1/2间距，在水平方向的形成水平开口。垂直方向引入纵向纬纱Yj1’、 Yj1’、 Yj1’、Yj3’ [图2(n)]与4层经纱Z形成交织[图2(o)]。Zi1、 Zi4水平向右进步1/2间距，在水平方向的开口形成，垂直方向引入纵向纬纱Yj1’、 Yj1’、 Yj1’、Yj3’[图2(p)]与4层经纱Z形成交织[图2(q)]。最终形成图1(a)所示的三维交织图。

2.2三维双向正交交织织物制作箱梁结构预制件

上面介绍的双向三维正交交织物具有沿任意方向裁剪不脱纱的显著特点，其本身布边结构良好，可以先按照箱梁结构截面的大小和长度设计正交织物的经纬密度和双向织物组织结构、以及布边结构，直接织造出截面为箱梁的结构件；也可以只按箱梁结构件截面的外形尺寸织造出矩形截面的双向正交交织预制件，然后裁剪成箱梁结构件。这种三维双向正交交织物的织造只能在我们设计制作的专用三维正交交织织机上进行。

3　箱梁结构成型工艺与仿真计算

3.1成型工艺

真空辅助树脂传递模塑(VARTM-Vacuum Assisted Resin Transfer Modling)工艺是一种新型的低成本的复合材料大型制件的成型技术，它是在单面刚性模具上铺放纤维增强体等材料再用柔性真空袋包覆密封，形成一个密封模腔，通过真空吸力排除纤维增强体中的气体，使模腔内成真空状态，利用真空压力驱动树脂的流动和渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温条件下进行固化成型，形成一定形状尺寸和纤维体积分数的工艺方法。此方法具有以下几个优点：

(1)模腔内抽真空后腔内压力变小，在成型过程中可以有效地减少对模具的伤害，增强其使用寿命。

(2)模腔内抽真空后注入树脂，提高了纤维体积分数，从而提高了制品的强度及其他力学性能。

(3)真空辅助有助于树脂对纤维增强体的浸润，使树脂和增强体的结合界面更好，可以极大的提高制品质量。

(4)VARTM工艺制造的复合材料制件具有成本低、强度好，空隙率低、产品的性能好等优点,并且工艺具有很大灵活性。可适用于大尺寸的复合材料制件的制备[3]。

图2　一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物织造过程

织制出如图3所示的箱梁结构预制件。

将试验台清洗干净，涂上一层薄薄的脱模剂，防止织物粘连在实验台上，等脱模剂干后，将铺好的纤维织物平放在实验台上，用密封胶带将导流网固定在箱梁结构的四周，并在周边留下缓冲区域。然后在箱梁结构的两端周边个设置一圈抽气管，最后在箱梁结构梁面的正中央布设一圈导流管。用柔性真空袋将纤维箱梁结构包裹起来，将多根抽气管用三连通连接到主管，主管连接到树脂溶液收集器，树脂溶液收集器再与抽真空装置相连; 所有接口处用密封胶带密封; 最后在树脂注入前打开真空泵不断抽真空并将胶口密封，排出模腔中增强体中的空气和附着在增强体表面的水汽，然后注入树脂溶液，由于织物一直保持在真空状态，树脂便很快会浸满整个织物，当织物彻底被浸润后用大力钳夹住树脂管和抽气管，在室温下冷却固化。最后待其冷却固化结束之后，在纤维铺放的箱梁结构四周可按照设计要求涂抹一定厚度的混凝土。由此制作出三维正交纤维增强复合材料箱梁结构预制件。

图3　箱梁结构预制件结构图

图4　箱梁结构三维织物预制件结构图

3.2成型过程仿真计算

近年来，RTM(Resin Transfer Moulding)和 CVI(Controlled Vacuum Infusion)等树脂模注工艺技术由于其在生产过程中有机物挥发量较低、可设计性良好及适用于成型中批量大型整体复杂构件等优点，被越来越广泛地应用于高性能复合材料成型制造领域。而针对其成型过程中最常用的仿真软件主要有RTM-Worx软件和PAM-RTM软件[4]。

RTM-Worx软件由荷兰一家名为 Polyworx 的公司开发，主要用于树脂模塑注射成型工艺流动过程的数值模拟仿真软件，RTM-Worx基于有限元方法来计算树脂在多孔介质中的流动方程，进而对 VARTM 和 CVI成型工艺进行过程进行模拟仿真分析。该软件以综合了有限元分析和体积包络计算的算法为核心，该算法快速稳定、功能强大、计算精确，能够确保在很短的时间里为用户提供准确的计算结果。软件直观易用，适合那些不熟悉有限元原理但精通掌握树脂模注工艺的工程师对该工艺进行局部或全部过程优化，使用者仅需很短时间的培训和少量技术支持就能充分掌握，被公认为是树脂模注工艺仿真领域内性价比最高的仿真分析软件产品。目前，RTM-Worx已在世界各地被广泛应用于航空，风力发电机，航海，军工，游艇，材料加工以及建筑等各个行业的复合材料结构设计制造领域[5]。

PAM-RTM 是ESI集团复合材料RTM工艺模拟的最优秀的产品。是针对RTM (Resin Transfer Moulding)、VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)等液体成型工艺开发的专业三维过程模拟软件,能够方便地模拟出树脂在预成型体内的流动状态、压力分布及充模时间等,从而达到优化模具设计和工艺参数,降低模具设计周期和降低成本的目的。PAM-RTM能分析的树脂包括环氧树脂、酚醛、乙烯、聚酯及无机RPF等，增强材料有毛毡、不起皱织物、机织织物、玻璃纤维、碳纤维等。增强材料的纤维走向对RTM中树脂的流动有重要的影响。通过预成形模拟，纤维流向可以直接输入PAM-RTM中，用以进行精密的RTM模拟。该软件操作简便，工程师可以很快学会操作；计算迅速，利用DARCY定律求解，保证了计算的精度；后处理结果直观，无须进入其他界面直接观察模拟结果[6]。

4　箱梁结构复合材料特性计算

通过计算纤维所占混凝土基体的体积比，将玻璃纤维和混凝土糅合在一起，类似于将纤维弥散在混凝土材料中，形成一种新的复合材料。采用各向同性计算的方法，利用混合定则公式Pc=Pfφf+Pmφm得出新的复合材料的密度，弹性模量以及泊松比。从而在ANSYS/workbench15.0进行分析计算。

混凝土采用高性能混凝土C40，其弹性模量E=3.26×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.5×103kg/m3。玻璃纤维采用抗碱玻璃纤维，其弹性模量E=6.65×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.74×103kg/m3。将以上参数带入公式Pc=Pfφf+Pmφm中，得到复合材料的弹性模量E=5.12×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.56×103kg/m3，之后在ANSYS/workbench15.0进行分析计算。施加载荷以及固定载荷如图5及图6所示。

图5　桥面施加载荷示意图

图6　箱梁桥底面固定载荷示意图

(1)P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa时桥梁的应力云图,最大变形图,寿命，安全系数示意图。

图7　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa时桥梁的应力云图

(2)P=10 000 MPa.P′=8 000 MPa时桥梁的应力云图,最大变形图,寿命，安全系数示意图。

(3)P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa时桥梁的应力云图,最大变形图,寿命，安全系数示意图。

图8　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa时桥梁的最大变形图

图9　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa时桥梁的寿命云图

图10　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa时桥梁的安全系数示意图

图11　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa时桥梁的应力云图

图12　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa时桥梁的最大变形图

图13　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa时桥梁的寿命云图

图14　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa时桥梁的安全系数示意图

图15　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa时桥梁的应力云图

图16　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa时桥梁的最大变形图

图17　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa时桥梁^的寿命云图

图18　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa时桥梁的安全系数示意图

由以上数值分析得出，纤维增强复合材料箱梁桥的应力变化及最大变形微小，体现了纤维增强复合材料箱梁结构良好的力学性能，为桥梁以后的发展提供了一定的建设意义。

5　结 语

将纤维增强复合材料应用到桥梁建设是目前较理想的一种方法。本文主要介绍三维正交纤维增强复合材料箱梁结构织物的织造方法，阐述了纤维增强复合材料在织造过程中形成一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物的织造方法，并在Pro/E里建立箱梁结构预制件结构几何模型，详细介绍了箱梁结构预制件的成型工艺，并进行了结构特性计算。由于纤维增强复合材料简易的施工工艺和良好的加固性能等优势，在未来的桥梁加固中应用会更加广泛。

[1]杨雅平,霍达,薛祥.纤维增强复合材料在桥梁加固中的应用及发展[J].广东建材，2006(11)：8-10.

[2]赵梅,王益轩,路超,等.三维正交织机双向开口机构的设计[J].产业用纺织品， 2015(2)：29-34.

[3]高彦涛,李炜,罗永康.VARTM工艺中多层玻纤织物渗透规律研究与工艺优化[J].玻璃钢/复合材料，2009(6)：54-57.

[4]王德盼.纤维增强复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及实验研究[D].南昌：南昌大学硕士学位论文，2014.

[5]刘宁生．先进的树脂模注工艺仿真软件——RTM-Worx[J]． 纤维复合材料，2005，22(1):40-42．

[6]刘强,赵龙,黄峰,等.基于PAM-RTM软件对VARI工艺流道模拟研究[C]//复合材料——基础、创新、高效：第十四届全国复合材料学术会议论文集(下).湖北，2006:1016-1020.

Study on Weaving Methods and Forming Process of the Composite Box Beam Structure of 3D Orthogonal Fiber Reinforced Materials

LIU Tingting，WANG Yixuan，YAO Chao，LIU Yu，WANG Yao

(College of Mechanical and Electrical Engineering ,Xi'an Polytechnic University，Xian 710048，China)

This article gives a brief introduction to the weaving methods which are used for the three-dimensional orthogonal fiber reinforced composite box beam structure woven fabric and the material how to form plain weave(1/1)and twill weave(1/2) in the weaving process.This paper gives a complete introduction on the molding process of box beam structure woven fabric preform by established the geometric model of box girder structure in Pro/E software.The results can be used for the weaving method,molding process and mechanical property design calculation of the material.And it provides an effective way for the development of new fiber reinforced composite box beam structure.

three-dimensional orthogonal fiber reinforced composite material；box girder structure；weaving method；molding manufacturing process；RTM；VARTM

陕西省科技攻关项目(2015GY137)

2015-08-19)

刘婷婷(1990-)，女，陕西人，在读硕士研究生。研究方向：机械设计及理论。E-mail：1262031798@qq.com.