碳纖維氣流擾動展纖器展纖過程仿真與實驗

黃博,苑壽同,薛嘉倫

(1.哈爾濱工業大學(威海)機器人研究所, 264209, 山東威海;2.哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室, 150001, 哈爾濱)

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碳纖維氣流擾動展纖器展纖過程仿真與實驗

黃博1,2,苑壽同1,薛嘉倫1

(1.哈爾濱工業大學(威海)機器人研究所, 264209, 山東威海;2.哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室, 150001, 哈爾濱)

針對中、大絲束碳纖維材料浸潤性差的問題,采用多級氣流擾動展纖法對碳纖維材料進行薄層化研究,建立了基于雷諾平均納維-斯托克斯方程的展纖器內部流場CFD(Computational Fluid Dynamics)模型,對展纖器內部流動特征進行仿真,得到內部流場的流線、流速分布狀態,并分析對展纖過程可能產生的影響。在氣流擾動展纖設備上進行實驗,研究展纖器的開口寬度、擋風板高度及展纖區域側板的傾斜角度對展纖過程的影響,通過參數對比實驗得到最佳展纖的展纖器結構參數。實驗結果表明,當展纖器擋風板高度為10～20 mm、側板傾斜角度為16°、開口寬度略大于展寬寬度時,展纖過程中可以避免絲束分叉、絲道偏離展纖器中心導致展纖不均的現象,展纖均勻性最好,展寬倍率可達3倍以上。

氣流擾動展纖;碳纖維;薄層化;展纖器;均勻性

碳纖維作為一種密度低、比強度高、比模量高、耐熱性及化學穩定性好的高性能復合材料[1-2],廣泛應用于航空航天、汽車制造、休閑娛樂、建筑物加固等領域[3-5]。目前,碳纖維的主要應用形式是預浸布和碳纖維織物[6-7],利用碳纖維材料良好的抗拉強度,可以達到增強構件承載能力及強度的目的。

所謂展纖,就是將聚集成束的纖維展寬、展薄,得到薄層高性能復合材料。在碳纖維復合材料中,無論是預浸布還是碳纖維織物,厚度越薄,其物理性能偏差越小,基質與強化長絲的接觸面積變得越大,力學性能越優異。據公開資料顯示,目前只有瑞典Oxeon公司旗下的TeXtreme品牌薄層化碳纖維得到成功應用[8],其他公司及科研機構還處于薄層碳纖維的研究及試用階段。國內外研究的展纖方法有超聲波法、氣流擾動法、熱輾法、靜電法[9-12]等,氣流擾動展纖法因展纖效率高、對纖維損傷小等優點。但是成為展纖技術領域的研究熱點,如何保證展纖均勻性及避免展纖過程中絲束加捻、分叉等關鍵技術需要突破。

在氣流擾動法展纖的相關研究中,文獻[13-14]分別研究了展纖過程中的影響因素,然而并沒有涉及到展纖器內部流場情況。文獻[15]就展纖器內部流場進行了仿真分析,并進行了展纖的實驗研究,但其主要聚焦于如何獲得寬幅廣的絲束,得出橫向速度越大越有利于展纖的結論,并沒有觸及氣流作用下纖維束可能出現的缺陷及相關的改進措施。

本文通過對展纖器內部流場進行仿真,研究展纖器內部流場的流速分布狀態,分析不同流動特征對展纖過程的影響,并通過實驗優化展纖器結構參數,降低展纖過程中產生的缺陷,得到展纖均勻的薄層化絲束。研究結果可以進一步指導氣流擾動展纖設備的研制,提高碳纖維復合材料的應用性能。

1 氣流擾動展纖原理

在氣流擾動展纖過程中,在展纖器上部吹送氣流或在展纖器下部吸引氣流,碳纖維以低張力狀態水平經過展纖器,氣流流動方向與纖維進給方向相垂直,纖維受到氣流拖曳力向下彎曲的同時沿寬度方向移動而進行展寬,其原理如圖1所示。

圖1 氣流擾動展纖原理圖

氣流擾動展纖的空氣動力學原理如圖2所示。氣流在展纖器內部上下存在壓力差,并產生一定的流速,在此狀態,纖維束上方的壓力大于下方及兩側的壓力,P1>P2,纖維束在展纖器內產生彎曲變形,見圖2a。圖2b表示長絲之間的黏結力減弱、部分纖維脫離纖維集束的狀態。氣體在展纖器內部流動時各點處的壓力關系是P1>P2>P3。氣流在集束的正上方中心繼續向兩側分流,并在氣流的橫向分速度下脫離纖維集束的單絲被推向兩側邊,氣流進入纖維之間的空隙,形成多條向兩側推動纖維的流線。在平面內可以將纖維的張力及纖維之間的作用力(黏結力、壓力、支持力和摩擦力)合成為水平分力Tt和垂直分力Tn。當氣體橫向流動產生的水平推力大于阻力Tt時,纖維向兩側運動,聚集的纖維束分散開。隨著展纖的進行,得到圖2c表示的穩定狀態,纖維束變得更寬、更薄,構成絲束的長絲均勻分布。

(a)初期 (b)展纖期 (c)穩定期圖2 氣流擾動展纖過程分析

(a)塌陷 (b)絲束分叉

(c)絲束加捻 (d)絲道偏離圖3 展纖中容易出現的各種缺陷

在展纖設備中,展纖器是關鍵部件,其結構設計不當會造成展纖時出現絲束加捻、分叉、展開不均勻等缺陷,嚴重影響碳纖維的使用,見圖3。Kawabe等人將展纖器設計為等截面的圓形和方形,展纖速度一般為6 m·min-1,不利于提高展纖效率[16]。本文設計的展纖器實物模型如圖4所示,由鈑金腔體、支承輥、楔形側板、活動擋板、固定板等組成。根據展纖要求,可以在展纖器開口處設置一定高度的擋風板(圖中未示出),以改善內部流體流動,并可以通過設置活動擋板的多少來調節開口寬度。

圖4 展纖器實物模型

2 展纖器CFD模型及仿真分析

2.1 展纖器CFD模型的建立

圖5所示是展纖器及擋風板圍成的內部流場的網格劃分模型。建立模型時采用Cartesian正交坐標系,以x軸表示展纖器軸向,網格劃分采用規則的六面體網格。展纖器內部流場入口可分為入口1、入口2、入口3個部分,入口1、入口2是碳纖維束進出流場域的開口,展纖區域楔形側板具有向外傾斜的角度α,展纖器開口寬度為w,開口處擋風板高度為h。

圖5 展纖器網格劃分模型

在建立展纖器流場CFD模型時,用到的連續性方程及Navier-Stokes方程[17]如下

(1)

(2)

展纖器內部氣體速度小于100 m/s,屬于不可壓縮流動,湍流模型采用Realizablek-ε模型,模型的輸運方程如下

(3)

(4)

碳纖維單絲直徑為5～7 μm,纖維束厚僅為0.12 mm,相較于展纖器尺度很小,仿真采用無纖仿真,對于守恒方程(連續性方程、動量方程和能量方程)采用二階迎風法求解。

2.2 仿真結果分析

當展纖器出口流速uair為5 m·s-1、開口寬度w為30 mm、擋風板的高度h為10 mm及側板傾斜角度α為16°時,以速度分布描繪的流線見圖6。在圖6a中,入口1和入口2處開口面積較小,氣流在小通口處被吸入展纖器內部時速度加快,并在入口下方的壁面附近形成了兩個低壓區,且壁面附近的流線比較紊亂。在y=0的對稱面上入口處軸向速度為最大值,氣流與纖維束的運動相同或相向,兩者相互摩擦,使纖維容易分開。

在圖6b中,由于頂部開口較大,氣流流向穩定,形成了比較均勻的流線。在展纖區域處,自上而下橫截面積越來越大,由楔形側板的導向作用,氣流沿側板由中心向兩側穩定流動,且由對稱中心向側板壁面移動時橫向速度越來越大,在壁面附近達到最大值,形成了驅動纖維束分散的動力。

(a)橫向對稱面y=0以軸向速度u1描繪的流線

(b)軸向對稱面x=25 mm以橫向速度u2描繪的流線圖6 展纖器出口流速為5 m·s-1時的速度分布流線

圖7 軸向對稱面不同垂向位置橫向速度(uair=5 m·s-1)

圖7是軸向對稱面上不同垂直位置處(l)的橫向速度分布曲線。由圖可知,展纖區域中部位置距離纖維水平運動位置8～16 mm的橫向速度比較大,即要求展纖時纖維束最大撓曲量為8～16 mm,利于氣流橫向驅散纖維束。

2.2.1 側板傾斜角度對流場的影響 通過改變側板的傾斜角度,可以獲得不同狀態的流場,進而影響著展纖的效果。不同側板傾斜角度下,軸向對稱面上z=12 mm位置處的橫向速度見圖8。

w=30 mm; h=10 mm; uair=5 m·s-1圖8 不同側板傾斜角度下軸向對稱面z=12 mm處的 橫向速度曲線

從圖8可以看出,側板的傾斜角度越大,相同位置處獲得的橫向速度越大,越有利于展纖的進行。當側板傾斜角度大于16°時,增加傾斜角度時橫向速度的增加已不再明顯,氣流的紊流成分反而增加,這必會導致展纖不均勻,甚至出現絲束分叉等缺陷,因此,展纖器側板傾斜角度應在16°～20°之間。

2.2.2 開口寬度對流場的影響 通過對不同開口寬度下展纖器內部的流場仿真,可以得到圖9所示的z=12 mm位置處橫向速度曲線。由圖9可知,當開口寬度為30 mm時,其橫向速度大于其他開口寬度下的橫向速度,展纖更容易進行;并且速度的變化比較均勻,氣流逐漸將纖維向兩側推送,保證了展纖的均勻性。開口寬度大于50 mm時,其橫向速度比較小,不利于碳纖維的展寬。因此,應調節展纖器開口寬度略大于絲束展開寬度,以增大展寬幅度。

α=16°; h=10 mm; uair=5 m·s-1圖9 不同開口寬度下軸向對稱面z=12 mm處的 橫向速度曲線

2.2.3 擋風板高度對流場的影響 為了增大氣流橫向速度、避免絲道偏離展纖器對稱中心的問題,在展纖器開口兩側添加具有一定高度的擋風板,不同擋風板高度下展纖器軸向對稱面上z=12 mm位置處的橫向速度曲線如圖10所示。

由圖10可知,增加擋風板的高度,可以增大氣流的橫向速度。當擋風板高度由5 mm增加到10 mm時,橫向速度的增加比較明顯,而大于10 mm時橫向速度的增加不再明顯,但在距對稱中心10 mm的范圍內,橫向速度的增加比較平穩。這說明增加擋風板高度可以使對稱中心附近的流速變化更穩定,絲道不易偏離展纖器對稱中心,有利于保證展纖的均勻性,因此在展纖時擋風板高度要大于10 mm。

w=30 mm; α=16°; uair=5 m·s-1圖10 不同擋風板高度下軸向對稱面z=12 mm處的橫向速度

3 實驗分析

3.1 實驗平臺與實驗材料

多級氣流擾動展纖設備構成見圖11,主要由放卷筒、離心風機、四級展纖模塊、收卷筒等組成。展纖模塊包括進給輥、張力放大及檢測裝置、加熱裝置和展纖器等部分組成,每一級展纖器下面安裝有高速離心機。設備工作原理為:離心機高速旋轉在展纖器內部產生具有一定速度的氣流,抽吸氣流垂直地經過碳纖維,通過進給輥控制碳纖維所受的張力,使得纖維絲束在展纖器內拱形彎曲,并在氣流作用下橫向移動展寬。

圖11 展纖設備實物圖

在實驗研究中,所用的碳纖維絲束為Toho Tenax公司生產的UTS50 12 K絲束,原始寬度為6.8 mm,厚度為0.12 mm,彈性模量245 GPa。實驗中通過控制每一級碳纖維所受的張力,保證纖維在展纖器內部的最大撓曲量為12 mm,纖維進給速度為8 m·min-1,離心機抽吸氣流速度為5 m·s-1。同時,通過碳纖維加熱管對纖維進行加熱處理,以減弱纖維之間的黏結力,使展纖更容易進行,加熱溫度設定為120 ℃。碳纖維經過四級展纖器后逐漸展寬、展薄,其展寬過程如圖12示,實驗中每隔0.5 m取點測量寬度,取50個點求取平均寬度。

(a)第一級 (b)第二級 (c)第三級 (d)第四級圖12 四級展纖設備逐級展纖過程

3.2 側板傾斜角度對展纖的影響

設定展纖器開口寬度w為30 mm、擋風板高度h為10 mm時,得到的展開寬度與側板傾斜角度的關系如表1所示。由表1中實驗數據可得,隨著傾斜角度的增大,氣流的橫向速度會隨著增大,纖維束的展開寬度也會增加。但是,傾斜角度的增大,氣流的紊流成分增加,會導致展纖不均勻,大部分纖維單絲被氣流推送到兩側,使兩側纖維絲聚集較多而中間絲束分布較少,甚至出現分叉的現象,如圖13a所示。此外,當側板傾斜角度比較大時,纖維絲道偏離中心后不易回到中心位置,導致靠近展纖器中心一側的絲束較厚而靠近壁面一側的纖維展開變薄。因此,側板傾斜角度不可過大,由實驗和仿真結果得出的既可以保證展開寬度又可以使纖維分布均勻的側板傾斜角度是16°,見圖13b。

表1 展開寬度與側板傾斜角度的關系

(a)α=24° (b)α=16°圖13 不同側板傾角下展纖結果對比

3.3 開口寬度對展纖的影響

表2是展開寬度與展纖器開口寬度的關系。由實驗可得,當展纖器出口抽氣速度一定時,開口寬度越小越可以獲得比較大的橫向速度,有利于纖維的展開,隨著開口寬度的增加,絲束的展開寬度減小。因此,在多級展纖過程中,要想提高展纖寬度,最好布置為每級的展纖器的開口寬度略大于展開的寬度,并且開口寬度逐級隨著展開寬度增加而增大。

表2 展開寬度與展纖器開口寬度的關系 (α=16°,h=10 mm)

3.4 擋風板高度對展纖的影響

表3是纖維展開寬度與擋風板高度的關系。由仿真及實驗結果可得,增加擋風板高度,可以增大展纖區域的橫向速度,展開寬度隨著增加,并且擋風板增加一定高度使得氣流平穩后作用于纖維束,纖維束在展纖器中心逐漸向兩側展開,減少了圖3d所示的絲道偏離的情況,可以起到均勻展纖的作用。當擋風板高度大于30 mm時,展開寬度的增加不再明顯,由于橫向速度的增大往往出現將纖維帶撕裂的現象,降低了展纖質量。多次展纖實驗結果表明,擋風板高度設定為10～20 mm時,展纖質量更加均勻,因此擋風板的高度設定范圍是10～20 mm。

表3 展開寬度與擋風板高度的關系 (w=30 mm,α=16°)

3.5 展纖連續性測試

展纖器的側板傾斜角度確定為16°、開口寬度確定為30 mm及擋風板高度確定為10 mm時,本文進行連續展纖實驗,設定纖維進給速度為8 m/min,加熱溫度設定為120 ℃,其展纖質量及部分采樣點分布如圖14所示。由圖可知,在此實驗條件下纖維展開寬度均勻,波動率在10%以內,平均寬度為25.5 mm。纖維展寬后長絲平行排列,表面沒有起毛的現象,表面呈現一定的光澤,平均厚度0.032 mm,為原來厚度的1/4,可以連續展纖長度達1 250 m以上,展纖過程中沒有出現分叉及絲道偏離缺陷的產生,工作可靠。實驗結果表明,通過仿真對展纖器進行優化設計,在減少展纖缺陷的同時,可以提高展纖效率和穩定性。

(a)展寬的纖維

(b)展纖中的寬度變化圖14 連續展纖的展寬絲束及寬度變化

4 結 論

通過建立氣流擾動展纖器內部的流體動力學模型并對其不同結構進行仿真,結合實驗,分析展纖器內部的流線及橫向速度分布對展纖過程的影響,得到有利于展纖的結構參數,纖維展寬倍率可達3倍以上,連續展纖長度可達1 250 m,寬度波動率在10%以內。

(1)側板傾斜角度為16°時,可以得到較大的橫向流速,展纖均勻,同時能避免出現絲束分叉及絲道偏離的現象。

(2)在展纖均勻性良好的情況下,展纖器的開口寬度應盡量小以增大展開寬度。

(3)擋風板可以改善展纖器內部氣體流動,避免發生絲道偏離展纖器中心的現象,擋風板高度取10～20 mm時展纖效果最好。

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(編輯 杜秀杰)

Spreading Process Simulation and Experimental Investigation for a Carbon Fiber Pneumatic Spreader

HUANG Bo1,2,YUAN Shoutong1,XUE Jialun1

(1. Robot Research Institute, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai, Shandong 264209, China;2. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

A multistage pneumatic spreading system was used to spread carbon fiber tows to solve bad invasion of middle and large carbon fiber tows. A computational fluid dynamics(CFD) model of the internal flow field in fiber pneumatic spreader was established based on Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and the characteristics of the flow pattern in the spreader were simulated and the effects of air flow distribution and lateral velocity on spreading process were analyzed. Experiments were carried out to investigate the effects of the inlet width of the spreader, the height of the wind shield and the tilt angle of the clapboard on spreading process to optimize the structure of the spreader. It is determined that the optimal height of the wind shield and tilt angel of the clapboard are 10～20 mm and 16°, respectively, with a little inlet width. The flaws of branching and spreading uneven resulting from the trace of fiber tow deviating from symmetry plane of the spreader can be avoided. Thin carbon fiber tow shows its good uniformity, and different width can be obtained and the spreading magnification of width can achieve more than 3 times.

pneumatic spreading; carbon fiber; spreading; spreader; uniformity

2015-04-10。

黃博(1974—),男,教授,博士生導師。

山東省科技發展計劃資助項目(2014GGX103020)。

時間:2015-10-28

10.7652/xjtuxb201512004

TP23;TQ342

A

0253-987X(2015)12-0019-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151028.1528.004.html