雖然碳纖維增強(qiáng)技術(shù)早在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了，但控制纖維方向來優(yōu)化材料強(qiáng)度性能卻是最近才發(fā)展起來的。通常，碳纖維在模具中隨機(jī)分布，這會(huì)產(chǎn)生各向同性的強(qiáng)度特性，即：材料性能在所有方向上都相同。
但是，在某些情況下，將部件的一部分最大強(qiáng)度與另一部分的靈活性結(jié)合起來可能是有益的。這需要在部件的各個(gè)部分仔細(xì)地將纖維定向到所需的方向，而這可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。
最近，瑞士圣加侖的BIONTEC公司想到了采用刺繡技術(shù)來解決這一挑戰(zhàn)。在20世紀(jì)初，世界上超過50%的刺繡生產(chǎn)來自圣加侖。現(xiàn)在，在Ansys Composite PrepPost（ACP）軟件的幫助下，BIONTEC采用了量身定制的纖維放置（TFP）工藝，以最佳方向?qū)⑻祭w維自動(dòng)刺繡到載體布上，從而高效且一致地創(chuàng)建了預(yù)制件；然后，這些刺繡預(yù)制件可以注入樹脂，并使用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝進(jìn)行固化，來大批量制造碳纖維復(fù)合材料。
大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)化的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料將帶來巨大的好處，尤其是對(duì)于汽車和飛機(jī)行業(yè)，它們必須不斷減少產(chǎn)品的排放，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保。輕質(zhì)、高強(qiáng)纖維復(fù)合材料在降低燃料消耗和減少排放方面發(fā)揮著重要作用。
OST-IWK與BIONTEC合作，開發(fā)了一種基于ACP定制的新型仿真框架，以指導(dǎo)TFP工藝的縫合和成形。模擬工作流程包括兩個(gè)步驟：“研究”和“處理”
第一步，評(píng)估各向同性模擬的主要應(yīng)力，以確定層結(jié)構(gòu)的最佳纖維方向，然后在TFP工藝（仿生設(shè)計(jì)方法）中使用。第二步，ACP中分層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建基于選擇規(guī)則、查找表和字段定義；然后，在ACP中定制織物懸垂功能，并在模型中重新創(chuàng)建TFP過程的完整刺繡路徑。
最初，ACP將層壓板建模為均勻的結(jié)構(gòu)，所有纖維都指向一個(gè)方向，然后通過腳本將選擇規(guī)則指定的纖維和基體區(qū)域的坐標(biāo)導(dǎo)入到查找表中。通過場定義功能，所選信息覆蓋預(yù)定義的均勻信息，以修改纖維的方向。這樣，纖維幾何圖形將盡可能精確地自動(dòng)映射，盡可能逼真地考慮了放置、重塑和懸垂效果；隨后，可以在Ansys仿真環(huán)境中根據(jù)客戶需求對(duì)建模的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行基準(zhǔn)測試和驗(yàn)證。
縫合預(yù)成型層
刺繡技術(shù)可用于生產(chǎn)單片或夾層結(jié)構(gòu)部件。鑲嵌物可用于中空部件，可在制造過程后移除。
TFP層是在彼此之上設(shè)計(jì)的。CP模擬指定的纖維路徑被導(dǎo)入刺繡機(jī)。通過機(jī)器針的運(yùn)動(dòng)，組件的纖維幾何結(jié)構(gòu)以鋸齒形縫線連接到刺繡背景上。
BIONTEC刺繡工藝示意圖，其中使用針將粗紗纖維穿出基體
通過將幾層纖維合并成一個(gè)縫合層，可以大大簡化預(yù)成型。對(duì)于更復(fù)雜的部件，許多疊層被拼接成一個(gè)三維穩(wěn)定的預(yù)制件，很像拼圖。這種高度自動(dòng)化的技術(shù)類似于刺繡，不但降低了成本，而且消除了常見的缺陷如縫隙、纖維錯(cuò)位、褶皺等。
然后使用樹脂傳遞模塑（RTM）來模塑部件的凈形狀，減少了加工時(shí)間。由于注入優(yōu)化的預(yù)成形件和多腔模具，可以在不使用高壓RTM系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)更短的周期時(shí)間，使其更不容易出現(xiàn)工藝引起的錯(cuò)誤。在RTM過程中，干燥的預(yù)制體被基體(即樹脂-硬化劑混合物)浸漬。RTM工具由兩個(gè)半模組成，半模具有成品部件的外輪廓。反應(yīng)樹脂，也稱為基體，將纖維保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫趩蝹€(gè)纖維之間傳遞張力，并保護(hù)纖維免受外部影響。
整個(gè)制造鏈充分利用了材料的質(zhì)量，同時(shí)也為模塑復(fù)合材料零件提供了很大的設(shè)計(jì)自由度。TFP通過在構(gòu)件的凈形狀內(nèi)插入與載荷路線對(duì)齊的纖維，使有針對(duì)性地鋪設(shè)纖維材料，從而根據(jù)力的流動(dòng)設(shè)計(jì)構(gòu)件。這可以更好地利用纖維的各向異性特性，同時(shí)產(chǎn)生更少的浪費(fèi)并降低成本。
自行車制動(dòng)桿的TFP結(jié)構(gòu)
作為一個(gè)測試?yán)?，BIONTEC和OST使用TFP工藝生產(chǎn)了碳纖維增強(qiáng)自行車制動(dòng)桿。制動(dòng)桿由幾層組成。為了簡化結(jié)構(gòu)，未考慮制動(dòng)桿末端和螺紋孔附近的材料增厚。編織路徑以彩色線的形式在預(yù)坯上繪制。這種幾何形狀的纖維附著在0.08毫米薄的玻璃纖維織物上，采用之字形針法和聚酯材料制成的緊固線。
剎車杠桿的預(yù)成形件由一個(gè)被切割然后預(yù)成形的平擱板組成。由于玻璃纖維刺繡背景和聚酯刺繡線的比例很小，因此在模型構(gòu)建和仿真中都忽略了這兩部分。然而，在計(jì)算纖維方向的彈性模量時(shí)，通過5%的波動(dòng)折減因子考慮了纖維的波動(dòng)。
定制的Ansys Composite PrePost（ACP）版本用于將每個(gè)縫合層的信息帶入Ansys軟件（A），然后預(yù)制體中的不同層以正確的順序映射到模型中(b)。在ACP中，可以根據(jù)材料規(guī)格區(qū)分纖維和基體。
這里使用了兩種半經(jīng)驗(yàn)方法來確定有限元模型中使用的機(jī)械性能，以及Ansys Workbench中的材料設(shè)計(jì)器，這使得在給定可用的原始材料性能的情況下，可以計(jì)算復(fù)合材料的均勻化材料性能。當(dāng)纖維體積含量為35%時(shí)，兩種混合規(guī)則方法和材料設(shè)計(jì)器的計(jì)算結(jié)果相似。然后，針對(duì)不同的負(fù)載情況(由BIONTEC進(jìn)行兩次質(zhì)量測試)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)模擬，并基于測量和光學(xué)驗(yàn)證進(jìn)行驗(yàn)證。
在這項(xiàng)工作中，重點(diǎn)是構(gòu)件的剛度，這是用ACP模擬。模擬剛度由力(50 N)和遠(yuǎn)端點(diǎn)的垂直右位移計(jì)算。在第一種載荷情況下，制動(dòng)桿沿驅(qū)動(dòng)方向加載：制動(dòng)桿與夾緊點(diǎn)成24°的傾斜，并在桿端垂直向下加載。第二種載荷情況對(duì)應(yīng)于剪切載荷，其中制動(dòng)桿水平設(shè)置，與夾緊點(diǎn)成24°角，與地面成30°角。
為了驗(yàn)證仿真，測量集中在線性范圍。在所考慮的情況下，平均測量的實(shí)驗(yàn)剛度在有限元模型得出值的8%以內(nèi)。剛度測量值的實(shí)驗(yàn)色散在15% ~ 21%之間。在測試過程中，使用GOM 3D相機(jī)跟蹤位移和膨脹。所有模擬數(shù)據(jù)集僅與測量數(shù)據(jù)略有偏差。通過material Designer對(duì)材料特性進(jìn)行均勻化，仿真結(jié)果顯示出較好的力學(xué)性能預(yù)測能力。
制動(dòng)桿上的垂直向下載荷工況（a）和剪切載荷工況（b）
垂直向下荷載工況（a）和剪切荷載工況（b）下制動(dòng)桿的預(yù)測變形
定制的ACP工作流程，以及Ansys復(fù)合材料生態(tài)系統(tǒng)的其他建模工具，已經(jīng)證明了該軟件能夠捕捉復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和3D復(fù)合材料的潛在行為，該復(fù)合材料通過新型TFP制造技術(shù)制成，能夠在任何方向放置連續(xù)的纖維束或粗紗。
建模軟件和驅(qū)動(dòng)實(shí)際纖維增強(qiáng)塑料（FRP）制造過程的軟件之間的更緊密集成可能會(huì)開啟強(qiáng)大的制造優(yōu)化研究。這些研究將產(chǎn)生最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和纖維排列，從而為特定應(yīng)用提供最佳復(fù)合解決方案。
