【课程预告】第一期“有限元方法与编程”培训！
本篇文章已开启快捷转载，其他微信公众号可自由转载
碳纤维增强聚合物复合材料因其优异的比刚度、比强度、疲劳性能和热稳定性，成为替代金属部件的极具吸引力的选择。然而，连续纤维增强材料在纤维方向上不可延展，限制了复合材料层压板的成形变形机制，使其难以制造复杂形状的零件，并限制了生产率。为了克服连续纤维增强材料的成形局限性，研究人员开发了高度定向不连续纤维（ADF）增强复合材料。ADF复合材料在纤维方向上具有可延展性，能够在成形过程中保持与单向连续纤维层压板相当的力学性能。然而，目前尚缺乏系统的方法来评估ADF复合材料的成形性，尤其是在不同材料取向和成形模式下的成形极限。
近日，《Composites Part A》期刊发表了一篇由美国特拉华大学复合材料中心、美国特拉华大学材料科学与工程系、机械工程系、电气与计算机工程系的研究团队完成的有关高定向不连续纤维复合材料层压板的成形极限的研究成果。该研究开发了一种新型ADF复合材料成形极限图（ADF-FLD），用于评估ADF复合材料在不同材料取向和成形模式下的成形极限，为理解和预测ADF复合材料的成形行为以及开发新的成形工艺和应用提供了重要的工具。论文标题为“Forming limits of highly aligned discontinuous fiber composite laminates”。
成形极限图，考虑了ADF复合材料的高度各向异性，应变张量相对于材料取向进行定义，如图2所示。成型极限图定义了纤维方向和横向的失效应变，自己双向耦合情况下的成形极限包络。
图2 对齐间断纤维成形极限图（ADF-FLD）的概念。
研究人员使用TuFF ADF材料进行实验。TuFF材料是一种通过湿法成型工艺制成的ADF复合材料，具有高纤维体积分数和高纤维定向性。研究人员制造了具有不同深度的钢模，以表征成形材料质量与成形应变水平的关系。使用双隔膜成形工艺进行成形，并使用高精度点云三维光学测量系统进行应变分析。
图3 (a) 模具的3D视图和参考坐标系。(b) 模具的横截面视图，其中深度和半径在表1中定义。
图4 (a) 顶部为气体入口，中间为真空袋装的坯料，底部为带有压力排气的模具。(b) 成形过程中的压力坡度和温度。
图5 (a) 等距网格图案的坯料(b) 初始图案引起的应变误差。
研究人员测量了每个成形样品的应变图，观察到应变测量值从低应变到高应变明显增加，表明材料在拉伸过程中变得更加不均匀。分析了应变测量值的局部应变变化，统计分布和平均值。使用键合共聚焦显微镜测量了45度层中纤维的取向。结果表明，纤维取向随着模具级别的增加而单调增加。
图6 (a) 成形后的坯料，带有刻度尺和编码标记。(b) 零件上整个应变图，红色区域为感兴趣区域（22.4 mm x 40 mm）。
该研究提出了一种新型ADF复合材料成形极限图（ADF-FLD），通过实验验证了其在评估ADF复合材料成形能力方面的有效性。ADF-FLD能够反映ADF复合材料在不同材料取向和成形模式下的成形极限，为研究人员和工程师提供了更全面和准确的数据，有助于优化成形工艺并促进ADF复合材料在航空航天、汽车等领域的应用。
投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
投稿模板：公众号后台回复“前沿追踪模板”获取
微 信：mech_of_comps
QQ 群：640676531，540731372
