1 導(dǎo)讀

連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(CFRPCs)作為高比強(qiáng)度、高比模量、設(shè)計(jì)靈活性等先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表，在輕量化、高性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中受到了廣泛關(guān)注。碳纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的曲線纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供了一種有前景的技術(shù)手段，特別是那些由拓?fù)鋬?yōu)化派生的結(jié)構(gòu)，其特征跨越結(jié)構(gòu)和材料尺度。纖維曲線分布可以達(dá)到不均勻強(qiáng)化和性能提升的目的，已在醫(yī)療、汽車和航空航天應(yīng)用中得到證實(shí)。但與各向同性材料和短纖維各向異性材料相比，CFRPCs在拓?fù)鋬?yōu)化和3D打印方面的進(jìn)展還處于早期階段。在設(shè)計(jì)和制造之間仍然存在差距，需要不間斷和平滑的纖維路徑。3D打印加工靈活性的優(yōu)勢(shì)，特別是在變剛度復(fù)合材料制造方面的優(yōu)勢(shì)，尚未在拓?fù)?/span>CFRPCs結(jié)構(gòu)中得到充分發(fā)揮。

2023年，《Composites Part B》期刊發(fā)表了西安交通大學(xué)在考慮纖維曲線及體積含量變化的3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拓?fù)鋬?yōu)化方面的研究工作，論文標(biāo)題為“Progressive concurrent topological optimization with variable fiber orientation and content for 3D printed continuous fiber reinforced polymer composites”。

因此，在當(dāng)前的研究中，通過基于原位浸漬法的CFRPCs 3D打印，提出并實(shí)現(xiàn)了考慮曲線纖維各向異性復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)、纖維取向和纖維含量的拓?fù)?/span>CFRPCs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造一體化的多學(xué)科框架。首先，對(duì)不同纖維含量的纖維取向和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化算法，獲得特定纖維含量范圍下穩(wěn)定的拓?fù)湫螒B(tài);其次，根據(jù)工作條件下的應(yīng)力分布，基于3D打印CFRPCs的拉伸和壓縮特性，在拓?fù)湫螒B(tài)內(nèi)設(shè)計(jì)纖維含量的非均勻分布，并采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法通過改變連續(xù)纖維路徑來實(shí)現(xiàn)?；诳勺兝w維取向和含量的漸進(jìn)式設(shè)計(jì)，制備了拓?fù)?/span>Messerschmitt-B¨olkowo - blohm (MMB)梁，并與均質(zhì)纖維含量為0%、10%、20%、30%體積分?jǐn)?shù)的梁進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該方法的可行性。通過漸進(jìn)式設(shè)計(jì)和3D打印實(shí)現(xiàn)的碳纖維復(fù)合材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)質(zhì)輕、高性能，在航空、航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

2 內(nèi)容簡(jiǎn)介

該項(xiàng)研究中，作者通過基于原位浸漬法的CFRPCs 3D打印技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)、纖維取向和纖維含量的拓?fù)?/span>優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造一體化框架。首先，對(duì)不同纖維含量、纖維取向和結(jié)構(gòu)形態(tài)的拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行了研究，獲得了特定纖維含量范圍下穩(wěn)定的拓?fù)湫螒B(tài);其次，根據(jù)工作條件下的應(yīng)力分布，基于3D打印CFRPCs的拉伸和壓縮特性，實(shí)現(xiàn)了在拓?fù)湫螒B(tài)內(nèi)纖維含量的非均勻分布。最后，基于可變纖維取向和含量的漸進(jìn)式設(shè)計(jì)，制備了拓?fù)?/span>Messerschmitt-B¨olkowo - blohm (MMB)梁，并與均質(zhì)纖維體積含量為0%、10%、20%、30%的梁進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖1設(shè)計(jì)策略流程圖

該研究以MBB梁為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。通過并行優(yōu)化算法獲得拓?fù)湫螒B(tài)，如圖2a所示。在保持結(jié)構(gòu)形態(tài)穩(wěn)定的條件下，選擇10%-20%體積分?jǐn)?shù)的纖維含量。值得注意的是，在特定纖維含量范圍內(nèi)的形態(tài)極其相似，但并不完全相同，這里選擇纖維體積含量為10%的拓?fù)湫螒B(tài)作為原始結(jié)構(gòu)。然后，利用濾波方法對(duì)離散的材料取向進(jìn)行統(tǒng)一，得到纖維的打印軌跡，見圖2d。

圖2具有漸進(jìn)式設(shè)計(jì)的拓?fù)?/strong>CFRPCs：(a)并行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果；(b)有限元分析；(c)纖維含量設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃；(d) 3D打印工藝設(shè)計(jì)

在原位浸漬法3D打印CFRPCs時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和打印路徑來控制纖維含量。如圖3a所示，CFRPCs層壓板的纖維體積含量可由下式VF(H)=(SF/TL)H-1確定和計(jì)算，其中SF為纖維束的截面積，TL為層厚。SF和TL的值可以在選擇原料和工藝參數(shù)時(shí)確定，孔間距(H)是調(diào)節(jié)CFRPCs纖維含量的關(guān)鍵工藝參數(shù)。通過改變H的值，可以實(shí)現(xiàn)不同纖維體積含量的3D打印試樣的纖維分布，如圖3b所示。

圖3CFRPCs的纖維含量控制原理圖和方法：(a)CFRPCs層壓板的原理圖；(b)不同纖維含量的3D打印試樣；(c)和(d)是纖維含量不均勻的層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和3D打印

對(duì)一系列不同纖維含量的CFRPCs結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，得到了不同纖維體積含量下的3D打印路徑，如圖4所示。

圖4MBB梁優(yōu)化設(shè)計(jì)：(a)不同纖維體積含量下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果；(b)纖維體積含量分別為10%、20%、30%和30%下的路徑規(guī)劃結(jié)果；(c)無額外強(qiáng)化軌跡的可變纖維含量下的路徑規(guī)劃結(jié)果

在PLD-5kN萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了3D打印試樣的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。如圖5a所示，在試件上施加恒定位移速率為2mm /min的向下荷載。此外，試樣的底端水平支撐，并略有夾緊，以避免在實(shí)驗(yàn)過程中滑動(dòng)。荷載-位移曲線如圖5b和c所示。采用500N- 1000N線彈性區(qū)域內(nèi)的荷載-位移曲線來評(píng)價(jià)試件的剛度，可以發(fā)現(xiàn)，CFRPCs結(jié)構(gòu)的剛度和峰值荷載均比純聚合物結(jié)構(gòu)(模型A)提高很多，表明曲線纖維在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中具有良好的增強(qiáng)作用。在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形態(tài)下，均質(zhì)纖維制備的CFRPCs結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)率分別為162.99%(模型B)、265.27%(模型E)，峰值載荷增強(qiáng)率分別為111.97%(模型B)、120.18%(模型E)。此外,采用漸進(jìn)式設(shè)計(jì)制備的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其剛度分別提高227.99%(型號(hào)C)、264.39%(型號(hào)D)，峰值載荷分別提高104.18%(型號(hào)C)、165.84%(型號(hào)D)，具有較高的纖維利用效率。特別是模型D，在進(jìn)一步考慮了纖維含量設(shè)計(jì)和纖維路徑粘結(jié)強(qiáng)化的情況下，峰值荷載比模型B和模型E分別提高了25.40%和20.73%。同時(shí)，模型D的剛度比原模型(模型B)明顯提高了38.55%，與降低纖維含量29.8%的模型E基本相等。當(dāng)纖維體積含量增加到30%時(shí)(F模型)，結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，剛度較D模型進(jìn)一步提高了17.16%，但消耗的纖維量卻增加了兩倍以上。由于層間粘結(jié)較弱，F模型的峰值載荷突然下降到2582.24 N，較D模型(3959.25 N)下降了53.33%。

圖5實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果：(a)實(shí)驗(yàn)設(shè)置；(b)不同模型間荷載-位移曲線的比較；(c)各模型具有變形行為的荷載-位移曲線

圖6不同模型的失效響應(yīng)

利用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在1mm位移荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行了有限元模擬，所有參數(shù)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)吻合。如圖7所示，分別提取纖維含量均質(zhì)的(模型B)和纖維含量不均質(zhì)的(模型D)應(yīng)力分布，兩種模型的應(yīng)力分布大致相同。上部框架處于壓應(yīng)力作用下，靠近頂部的地方應(yīng)力較大，對(duì)應(yīng)圖6中模型B和模型D的變形現(xiàn)象均發(fā)生在該位置。此外，可以看出中間底架的拉應(yīng)力較大，在試驗(yàn)中最終在模型B的這一區(qū)域附近發(fā)生斷裂(圖5c)，遠(yuǎn)離中間的地方應(yīng)力較小。對(duì)比兩種模型，纖維含量重組后的整體應(yīng)力水平較之前增大，模型B頂部反作用力為930.16 N，模型D頂部反作用力為1208.24 N，表明分層設(shè)計(jì)后的模型性能更高。

圖7應(yīng)力分布場(chǎng)

3 小結(jié)

作者提出了一種多學(xué)科的方法來設(shè)計(jì)和制造拓?fù)?/span>CFRPCs結(jié)構(gòu)，逐步設(shè)計(jì)纖維方向和含量，并通過MEX3D打印實(shí)現(xiàn)。通過這種方法，纖維的取向和含量能夠在拓?fù)湫螒B(tài)內(nèi)不均勻分布，實(shí)現(xiàn)曲線纖維增強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，制造了拓?fù)?/span>MMB梁，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其剛度為1446.25 N/mm，峰值載荷為3959.25 N。驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性，與原CFRPCs設(shè)計(jì)相比，剛度和峰值載荷分別提高了38.55%和25.40%，與純聚合物設(shè)計(jì)相比，分別提高了264.39%和165.84%。該方法拓寬了CFRPCs 3D打印的設(shè)計(jì)自由度，在航空航天、汽車等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。

原始文獻(xiàn)：

Yiming Huang, Xiaoyong Tian, Lingling Wu, Ali Akmal Zia, Tengfei Liu, Dichen Li，Progressive concurrent topological optimization with variable fiber orientation and content for 3D printed continuous fiber reinforced polymer composites, Composites Part B 255 (2023) 110602. https://doi.org/10.1016/j. compositesb.2023.110602.

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標(biāo)簽：拓?fù)鋬?yōu)化復(fù)合材料3D打印