问题:为什么复合材料结构会翘曲?
在实际工程制造中,塑料件(注塑、模压)和复合材料制件(热压罐、液体成型等)在成型之后经常会有翘曲现象。产生这种翘曲变形的原因有哪些呢?
复合材料通常由增强体和基体两种材料组成,两种组分材料属性各异,其模量、强度、热膨胀系数差异很大,复合之后会存在明显的各向异性。复合材料结构的翘曲变形主要是由成型过程中的残余应力引起,而残余应力又是由组分材料的热膨胀不匹配、化学收缩以及不均匀固化引起。
对于热塑性工程塑料或热塑性复合材料,由于基体结晶程度的不同而产生的收缩不同也会导致产品的翘曲。
对于对称且均衡的复合材料等厚度平板,依据宏观的均匀化理论是不会产生翘曲的,但实际制造中,纤维的分布具有随机性,单层难以达到理想的均匀化,预浸料原材料厚度也难以达到均匀厚度,且手工铺放很难控制铺层角度的完美对称(手工铺放角度偏差约正负3°),种种原因会导致较大尺寸的复合材料平板同样会产生翘曲变形。
而对于变厚度塑料,厚度的不均匀会导致冷却不均匀,进而引起内部残余应力;对于变厚度复合材料,除了上述原因之外,厚度过渡区难以保证严格的对称均衡性,依据经典层压板理论,耦合刚度矩阵B阵不为0,板子自身存在拉弯、拉扭、弯扭耦合,面内的变形会引发面外翘曲变形。
解决方案
翘曲变形无法消除,可以通过改善设计方案和制造工艺来减缓,如优化工艺参数减小残余应力、厚度过渡区平缓设计、通过工艺仿真或试验对模具进行修形等,对于注塑件或复合材料液体成型件,优化浇口的数量和位置也会改善翘曲变形。(来源:复合材料力学)
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