Посібник для початківців з дизайну планки з вуглецевого волокна
Як передовий композитний матеріал вуглецеве волокно має такі переваги, як легка вага, висока міцність і висока стійкість до корозії. Він широко використовується в аерокосмічній промисловості, виробництві автомобілів, промислового обладнання та спортивних товарів. Однак унікальні властивості вуглецевого волокна не досягаються самим матеріалом, а вивільняються завдяки науковому та розумному дизайну layup. Розробка схеми — це складний технічний проект, який вимагає комплексного розгляду таких факторів, як властивості матеріалу, механічні вимоги та виробничі процеси. Ця стаття надасть вам повний посібник із проектування вуглецевого волокна, від базових знань, етапів проектування до технології інструменту.
A. Основна концепція укладання вуглецевого волокна
1. Характеристики вуглецевого волокнаВуглецеве волокно - це високоефективний волокнистий матеріал, що складається з вуглецевих елементів. Його основні властивості включають: Висока міцність і високий модуль: його міцність на розрив може досягати більш ніж у 10 разів більше, ніж у сталі, тоді як його щільність становить лише 1/4 від міцності сталі. Чудова стійкість до корозії: вуглецеве волокно стабільно працює в більшості кислотних і лужних середовищ. Теплова та електропровідність: вуглецеве волокно має хорошу теплопровідність та електропровідність і підходить для певних спеціальних областей. Однак вуглецеве волокно також має свої обмеження, такі як: Анізотропія: характеристики вуглецевого волокна в різних напрямках значно відрізняються, що потрібно компенсувати конструкцією шарів. Крихкість: під впливом високого навантаження вуглецеве волокно може стати крихким.
2. Вуглеволокнисті композитиВуглецеве волокно зазвичай не використовується окремо, а поєднується з матеріалом матриці (наприклад, епоксидною смолою) для утворення композитного матеріалу. Матричний матеріал відіграє роль у з’єднанні та передачі навантажень у композитному матеріалі, забезпечуючи при цьому певну ударостійкість. Ефективність композитного матеріалу залежить від властивостей вуглецевого волокна та матеріалу матриці та способу укладання шарів.
B. Основні принципи укладання вуглецевого волокна
1. СиметріяСиметрія укладання є одним із основних принципів конструкції конструкції з вуглецевого волокна. З нейтральною віссю як орієнтиром розкладка повинна бути симетричною з обох сторін. Значення симетричного дизайну включає в себе: Зменшення різниці температурного розширення: запобігання викривленню або скрученню конструкції через зміни температури. Рівномірний розподіл напруги: уникнення локальної концентрації напруги через асиметрію.
2. БалансБаланс укладання означає, що виконання укладання в різних напрямках має бути збалансованим. Наприклад, коефіцієнт згортання в напрямку ±45 градусів має бути послідовним, щоб зменшити дисбаланс конструкції при крученні під дією зсувного навантаження.
3. Контроль товщини шаруТовщина кожного шару вуглецевого волокна зазвичай становить {{0}}.125 мм до 0,25 мм, і конкретна товщина залежить від виробничого процесу та вимог до конструкції. Загальну товщину слід визначати шляхом оптимізаційного розрахунку, який не тільки відповідає механічним властивостям, але й не додає непотрібної ваги.
4. Інтерфейсне склеюванняМіцність з’єднання напряму впливає на загальну продуктивність накладки. Щоб підвищити міцність з’єднання межі розділу, можна вжити таких заходів: Плазмова обробка або хімічне травлення поверхні вуглецевого волокна. Використовуйте високоефективну матрицю з епоксидної смоли. Застосуйте належний тиск під час процесу укладання, щоб уникнути пустот.
C. Базові знання про конструкцію вуглецевого волокна
1. Напрямок укладання та механічні властивостіМеханічні властивості вуглецевого волокна дуже спрямовані. Нижче наведено три основних напрямки укладання та їхні характеристики: Напрям 0 градусів: забезпечує максимальну міцність на розтягування та стиск, підходить для напрямку основної сили. Напрямок 90 градусів: підвищує бічній жорсткість і міцність конструкції і запобігає бічної деформації. Напрямок ±45 градусів: забезпечує опір зсуву, особливо опір крученню. Науковий вибір напрямку укладання може значно покращити механічні властивості композитних матеріалів у багатьох напрямках.
2. Послідовність укладанняПослідовність укладання безпосередньо впливає на комплексні характеристики вуглецевого волокна. Типова конструкція послідовності укладання повинна відповідати наступним умовам: Симетрія: Послідовність укладання повинна бути симетричною відносно нейтральної осі. Комбінація з кількома кутами: після виконання вимог щодо міцності основного напрямку напрямки 90 градусів і ±45 градусів розподіляються відповідним чином. Оптимальна послідовність укладання: переконайтеся, що зовнішній шар шару може протистояти впливу навколишнього середовища та механічних впливів, а внутрішній шар шару покращує загальні структурні характеристики.
3. Розумний розподіл товщини шаруЗагальна товщина визначається вимогами до навантаження та вимогами до легкої ваги. Звичайна стратегія проектування така: шар основного напрямку становить 60%~70%. Поперечні шари та шари зсуву разом складають 30%~40%.
D. Етапи розробки вуглецевого волокна
1. Визначте цілі проектування.Цілі проектування включають: Цілі продуктивності: міцність, жорсткість, стійкість до ударів тощо. Адаптованість до навколишнього середовища: стійкість до високих температур, вологостійкість або стійкість до корозії. Економія: оптимізація матеріалів і витрат на виготовлення.
2. Підібрати матеріали.Виберіть тип вуглецевого волокна (висока міцність, високий модуль або стандартний модуль) і матеріал матриці (епоксидна смола, фенольна смола тощо) відповідно до вимог конструкції.
3. Конструкція шарового кута.Конструкцію кута шару потрібно визначати відповідно до типу навантаження: Навантаження на розтяг: переважно в напрямку 0 градусів. Навантаження на вигин: додайте шари в напрямку 90 градусів. Навантаження на зсув: додайте рівномірно розподілені шари в напрямку ±45 градусів.
4. Аналіз моделювання та оптимізація.Перевірте раціональність конструкції шару за допомогою інструментів аналізу кінцевих елементів. Аналіз моделювання включає: розподіл напруги та деформації. Міцність зчеплення між шарами. Загальне прогнозування викривлення та деформації.
5. Виробництво та контроль якості.Виробничий процес повинен суворо відповідати специфікаціям конструкції, щоб забезпечити точність кута шару, товщину та якість інтерфейсу.
E. Загальні проблеми та рішення укладання вуглецевого волокна
1. Пілінг ПілінгПроблеми зазвичай викликані недостатнім міжфазним з’єднанням. Рішення: оптимізуйте вибір смоли. Підвищення точності процесу накладання.
2. Викривлення та деформаціяДеформація спричинена асиметричним дизайном або виробничими дефектами. Забезпечуючи симетрію накладки та оптимізуючи процес затвердіння, проблему деформації можна ефективно зменшити.
3. Матеріальні відходиМатеріальні відходи часто виникають через надмірне проектування. Завдяки оптимізації структури монтажу за допомогою аналізу симуляції можна знизити вартість, забезпечуючи продуктивність.
4. Дисбаланс зсувуДисбаланс зсуву здебільшого спричинений недостатнім нахилом у напрямку ±45 градусів. Напругу зсуву можна збалансувати, регулюючи коефіцієнт укладання.
F. Інструменти та додаток до технології
1. Зазвичай використовувані інструменти проектування та моделюванняANSYS: Механічний аналіз композитних матеріалів. Abaqus: динамічне моделювання та стрес-тестування. HyperWorks: оптимізація укладання та аналіз втоми.
2. Автоматизована технологія укладанняВ даний час в промисловості використовується автоматизоване обладнання для укладання (ATL і AFP), яке дозволяє значно підвищити ефективність виробництва і точність укладання.
3. Дизайн оптимізації на основі данихНа основі великих даних і алгоритмів оптимізації штучного інтелекту ефективність і надійність планування можна підвищити за допомогою великої кількості історичних даних і обчислень у реальному часі.
G. Майбутній напрямок розвитку
Матеріальні інновації:Розробити нові смоли та армуючі волокна для покращення продуктивності інтерфейсу.
Інтелектуальне виробництво:Запровадити роботизовану технологію шарування для підвищення ефективності виробництва.
Недорого:Знизити вартість вуглецевого волокна та його композитних матеріалів шляхом великомасштабного виробництва.
Підведіть підсумки
Конструкція накладки з вуглецевого волокна є основною технологією для досягнення відмінних характеристик композитних матеріалів, яка проходить через весь процес вибору матеріалу, структурного проектування та процесу виробництва. У цьому посібнику систематично аналізуються ключові моменти укладання вуглецевого волокна через основні поняття, технічні деталі, інструменти та технічні доповнення. З розвитком технологій конструкція накладки з вуглецевого волокна буде додатково оптимізована і стане важливою рушійною силою для широкого застосування легких конструкцій.
