干态单向HiTape®增强体在飞机主承力结构中成形工艺的研究

摘要整理

在为飞机主承力结构开发具有竞争力的液体复合材料模塑工艺的背景下，对自动铺放的初始平面干增强体堆叠的成形阶段进行建模具有重要意义。HiTape®是一种干态单向碳纤维增强体，其性能可与先进预浸料相媲美，材料两侧均覆盖热塑性薄膜以满足工艺和力学要求。在成形工艺温度（高于热塑性薄膜熔融温度）下，HiTape®表现出横向各向同性行为。考虑到计算成本和表征困难，本研究通过均质等效连续介质模型来描述其行为，该模型包含四种经典变形模式和一种特殊的结构模式——面外弯曲。采用改进的Peirce弯曲仪在成形工艺温度下对单层和多层HiTape®的面外弯曲响应进行了表征。单层试验结果表明，弯矩-曲率关系呈非线性软化特征，弯曲刚度远低于连续介质力学预测值。多层堆叠试验表明，薄膜层作为薄的载荷传递层，在层间相对面内位移（即层间滑移）过程中起关键作用。通过拉拔试验方法在成形工艺温度下单独表征了层间响应。在代表成形阶段的压力和速度条件下，试验表明流体动力润滑摩擦机制占主导地位，即摩擦系数与修正Hersey数呈线性关系。从工业应用角度，建议采用高成形压力和低成形速度以促进层间滑移，从而限制皱纹等缺陷的产生。

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