CN110171168A - 绿色轻量化纤维增强金属层管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种绿色轻量化纤维增强金属层管。本发明金属层管包括内层铝管、外层铝管、纤维预浸料，内、外两层铝管之间设置有纤维预浸料，使得纤维预浸料由所述内层铝管和所述外层铝管包裹，并随同所述内层铝管和所述外层铝管一并经过胀接处理而与所述内层铝管和所述外层铝管集成为一整体，其中，胀接处理的压力的胀接加载路径根据该纤维增强金属层的本征关系而确定。由此，本申请的纤维增强金属层管能够结合铝和树脂两种材料的优势，获得性能参数满足要求的纤维增强金属层管。

Description

绿色轻量化纤维增强金属层管及其制造方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体而言涉及一种绿色轻量化纤维增 强金属层管。

背景技术

轻量化是航空航天，高速铁路，汽车和其他运输机械制造业的发展趋势。 采取薄壁、整体、轻质的结构是实现轻量化产品的重要措施。2009年在丹麦哥 本哈根举行的世界气候大会COP15倡议倡导绿色低碳生活方式和企业生产消费。 对于绿色制造来讲，其中重要的措施也是将部件进行轻量化设计。与此同时， 各个国家及地区针对汽车产业的环保、安全耐腐蚀等要求越来越严格，这些指 标要求都极大的促进了全世界范围内的汽车制造厂商积极研制一些环境友好 型的汽车产品。统计结果显示,采用轻量化设计制造的汽车相比于以往的钢材 制造能够使汽车质量减轻约25％。

通常的轻量化设计，主要是利用铝合金密度小的特点实现的。但 是，铝合金等传统的金属材料虽然塑性相比一些其他的材料好，且易 于加工成型，但抗腐蚀性相对来说进行比较是较差的；纤维增强树脂 基复合材料具有高比模量，比强度，耐腐蚀性和疲劳性能，但具有较 差的抗冲击损伤性和延展性，且易受潮湿影响，并且水分老化受环境 影响很大。两者单独作为运输机械用材均存在明显缺陷。

纤维增强金属层管能够结合上述两种材料的优势。纤维加强金属 层管是一种由金属层管和纤维复合材料交替铺层后，在某种固定的压 力和温度下进行固化的层间超混杂材料。但是现有的纤维增强金属层 管，由于其制造过程需要严格设计管材成型压制的应力模型，而现有 CLT理论对于不同纤维增强金属层管的应力分析有限制。其只能分析 MVF在0.45至0.85之间的单向拉伸性能，因而基于其所获得的本征 关系不准确，基于该本征关系建立的胀接加载路径也相应的存在误 差，按照该胀接加载路径加工很难获得性能参数满足要求的纤维增强 金属层管。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种绿色轻量化纤维增强金属 层管，以解决现有制造加工技术所造成的产品性能的缺陷。本发明具 体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种绿色轻量化纤维增强金属层管， 其包括：内层铝管，其经过丙酮浸泡去除杂质以及碱洗、烘干；外层 铝管，其经过丙酮浸泡去除杂质以及碱洗、烘干后，套设于所述内层 铝管外围，所述外层铝管的内径接近所述内层铝管；纤维预浸料，首 先被粘贴在内层铝管的外壁表面，而后随同所述内层铝管被套设于所 述外层铝管内，所述纤维预浸料被设置在所述内层金属管与外层金属 管之间；所述纤维预浸料由所述内层铝管和所述外层铝管包裹，随同 所述内层铝管和所述外层铝管一并经过胀接处理而与所述内层铝管 和所述外层铝管集成为一整体，其中，胀接处理的压力的胀接加载路 径根据该纤维增强金属层的本征关系而确定。

优选地，所述纤维预浸料为树脂材质。

优选地，所述内层铝管和所述外层铝管管材在粘贴或套设所述纤 维预浸料之前还经过预处理，所述预处理包括去毛刺、弯管、涂油。

优选地，所述纤维增强金属层的本征关系包括：屈服强度Rp、 各向异性指数r、应变硬化指数n和应变硬化系数K；所述本征关系 通过单向拉伸实验获得。

优选地，所述纤维增强金属层管的内层铝管和/或外层铝管为多 层结构，所述多层结构中各层的间隙内同样设置有所述纤维预浸料。

优选地，所述纤维增强金属层的本征关系通过如下步骤获得：

步骤1，建立屈服轨迹为 其中K₁＝(σ_xx+hσ_yy)/2， m为非二次屈服函数指数，x、为平行于轧制方向、y为垂直于轧制方向、z为垂直于板平面方向；a，h，p 为表征各向异性的材料参数，σ_**表示对应方向上的应力张量；

步骤2，根据所述表征各向异性的材料参数a，h，p建立硬化模 型式中的ε表示体应变；y表示指材料发生屈 服时的弹性应变，是有效塑性应变；k表示系数；

步骤3，如果初始屈服应变SIGY为零，发生屈服时的应变可以 由线弹性应力应变方程和应变硬化方程得出：σ＝Eε；进而计算获得 材料发生屈服时的应变为：E表示应力；

如果初始屈服应力SIGY不等于零，并且大于0.02，则发生屈服 时的应变可以由线弹性应力应变方程和应变硬化方程得出

步骤4，进行胀接计算，其中R代表外层铝管半径，r代表内层 铝管半径，下角标i、o分别表示内外壁；θ代表周向；r代表轴向； u代表回复量；则，先根据拉梅公式获得：

进一步考虑米塞斯屈服准则，可以得到内层铝管的极限压力：

考虑内层铝管进入塑性和弹性共存状态，带入变形方程 并积分可以得到：将其带入内层铝管内 壁处边界条件：当r＝r_i时有σ_r＝-p；并带入屈服准则，得到下式：

同样的对外层铝管进行计算，并利用内外管变形协调条件，可 以得到外管达到弹性极限的压力：

当考虑卸载内外管的回复量相同时，即Δu_r0＝Δu_Ri，可以得到残余 接触压力：

其中c是内外管材料、集合参数确定的常数，c为：

优选地，所述步骤1中，各向异性的材料参数a，h，p根据应力 计算的方法得到，或根据厚向异性指数r0、r45、r90计算得出；所 述应力计算的方法为采用Bishop和Hill材料模型计算不同加载条件 下的应力，从而求得各向异性的材料参数a，h，p；所述应力计算的方法中，假设σ₉₀为与轧制方向成90度方向单拉时的屈服应力，τ_s1、 τ_s2为纯剪时屈服应力，剪应力当σ_yy＝-σ_xx＝τ_s2时，σ_xy＝0，当 σ_xx＝σ_yy＝0时，σ_xy＝τ_s1，计算获得各向异性的材料参数

所述根据厚向异性指数r0、r45、r90计算的步骤具体包括计算：对于单轴拉伸，r与p为单值关 系，由迭代计算获得各向异性的材料参 数a，h，p；式中，σ₉₀是与轧制方向90°单拉时的屈服强度，对于 面心立方材料，m＝8，对于体心立方材料，m＝6。

有益效果

本发明将内、外两层铝管之间设置纤维预浸料，使得纤维预浸料 由所述内层铝管和所述外层铝管包裹，并随同所述内层铝管和所述外 层铝管一并经过胀接处理，进而与所述内层铝管和所述外层铝管集成 为一整体。其中，胀接处理的压力的胀接加载路径根据该纤维增强金 属层的本征关系而确定。由此，本申请的纤维增强金属层管能够结合 铝和树脂两种材料的优势，获得性能参数满足要求的纤维增强金属层 管。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分 地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部 分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明 的限制。在附图中：

图1是本发明的绿色轻量化纤维增强金属层管的制造装置的示 意图；

图2是本发明的纤维增强金属层管的横截面的示意图；

图3是本发明中单拉试件的结构示意图；

图中，1表示左侧位移传感器；2表示左侧无杆腔压力传感器；3 表示左侧有杆腔压力传感器；4表示超高压压力传感器；5表示右侧 有杆腔压力传感器；6表示右侧无杆腔压力传感器；7表示右侧位移传 感器；8表示控制系统；9表示液压系统；10表示水系统；11表示增压系统；12表示试验工装。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发 明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。 显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施 例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造 性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范 围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有 术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技 术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定 义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致 的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义 来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同 时存在的情况均包括在内。

图1为根据本发明的一种绿色轻量化纤维增强金属层管的制造 装置，用于对图2所示的纤维增强金属层管的待加工结构进行胀接处 理。参考图2，胀接处理过程中，复合的双层或多层结构的铝管的伸 缩接头使得内管凸出后发生塑性变形，外管弹性变形。当内部压力卸 载时，外管的回弹量大于内管的回弹量。最终在界面行程残余接触应 力，使得两层管发生机械结合，如图2所示。作为塑性成形方法，胀 接成形复合层管能极大的提高材料利用效率，成形精度高。此外，利 用液压胀接复合管，胀接力均匀，并且可以根据两根金属管的集合参 数、力学性能来计算，壁厚分布均匀，管内表面质量高等优点.

本发明在上述步骤之前还需要对铝管进行预处理。其包括：

1清洗铝管。先将铝管进行简单的冲洗并擦净，接着把铝管轻放 浸入事先准备好的丙酮溶液中，丙酮可以与铝管中的部分杂质进行化 学反应，可观察到在铝管器壁上有小气泡生成。将该铝管浸泡一段时 间后，取出，并用清水清洗。随后用小型称进行称量，物质与物量分 别为：清水2500ml；氢氧化钠125g；无水碳酸钠125g。称量后，进 入碱洗工作，将配置后的溶液用小钥匙进行搅拌，一边搅拌一边加热， 加热至55度，停止加热，之后与铝管表面的物质进行反应，清洗1-2 分钟。随后清水清洗，擦洗干净。最后用炉子烘干

2粘贴预浸料。测量及剪切：测量铝管长度(可测长一些)、周 长，用剪刀剪去所需部分。粘贴及修剪：将剪取的预浸料部分贴在铝 管表面，并将多余的部分剪去，刚好贴合。

3确定胀接处理方案。在Solidworks 2008等三维建模软件中完 成胀接模具的设计。为得到壁厚减薄量小分布均匀的内层管，先对单 层管进行胀形模拟，考虑到外层管和预浸料的厚度，对胀接模具先进 行一定的补偿，将上述文件导入到Dynaform进行模拟。为减少计算 量，简化冲头等部件，进行管材的端口密封。进行内层管胀接路径的 优化工作，最终确定加载路径。

4GALRE层管的胀接。该步骤为核心步骤。对内外层管进行热处 理来消除残余应力，提成塑性变形能力，同加载时对内外层管的表面 进行阳极化处理，提升结合强度。将外管套在内管上，分别0°/45° /90°在内外层管铺设预浸料来获得三种不同种类的GLARE层管及用 编制预浸料得到的GLARE层管。将内管进行密封，放入下模中，检查 无误后，进行合模，加内压并在轴向进行补料(加载路径由4.1得到 的优化加载路径确定)。本发明中还需要对纤维层的长度要进行精确 计算，在已有加载路径下，确定内外管均完成回弹后的外管内壁周长， 选取+2mm作为误差，保证内外层管均有纤维层接触。

上述过程中，加载路径按照如下步骤确定具体参数。

截取长度为550/300mm(内/外)段作为备料，先进行自由胀形实验。对管 两端进行倒圆角处理，管材外侧进行散斑喷涂。而后，对管材进行固定及密封 操作，先进行散斑标定，如图2所示。此后，进行加压，管材随内压的不断变 大而发生塑性变形直至管材发生破裂。通过计算，得出本构方程(采用幂指数 方式)。最终由单向拉伸实验所获取的成形性能指数称为基本成形性能指数， 通过该实验可以获得材料的弹性模量E，屈服强度Rp，抗拉强度Rm，均匀伸长 率A，极限伸长率Ap，各向异性指数r值，应变硬化指数n值，应变硬化系数 K值，应变速率敏感指数m值，屈强比Rp/Rm，断后截面收缩率Z等，在数值 模拟中，材料本构模型的建立也要依赖这些参数，尤其是Rp、r值、n值、K 值。单拉试件采取普通单向拉伸试验的试样规格如图2所示，制作单拉试件， 进行单拉试验。

其中，单拉试验的测试件结构被切割为图3所示的形状。

在数值模拟中，模拟精度低是限制其应用的主要方面，而材料本 构关系是影响数值模拟精度的主要因素之一。在本构关系中，如果确 定了材料的初始屈服面，即确定了屈服准则，那么结合一定的强化规 律，就可以推导出相应的本构关系式，而本构关系确定后，材料在变 形过程中的应力应变行为也就可以预测了。其具体过程如下：

1)屈服准则建立。

导流管管材充液成形中所采用的管坯是由板材焊接而来的，板材 在生产时经过多次辊轧和热处理，一般都具有一定的变形取向而呈现 出明显的各向异性，对塑性变性行为有着显著的影响。管材在液压胀 形中的主要应力-应变状态为平面应力状态，Barlat和Lian于1989 年提出了在平面应力条件下考虑平面内各向异性的屈服准则，该屈服 准则能准确地描述采用Bishop和Hill晶体材料模型得到的屈服轨 迹，如式(4-1)所示：

其中K₁＝(σ_xx+hσ_yy)/2，

式中，m为非二次屈服函数指数；x、y和z分别为平行于轧制方 向和垂直于轧制方向，垂直于板平面方向；a，h，p为表征各向异性 的材料参数，有两种计算方法，一个是根据应力计算的方法得到，即 采用Bishop和Hill材料模型计算不同加载条件下的应力，从而求得 这几个参数，例如，假设σ90为与轧制方向成90度方向单拉时的屈 服应力，τs1，τs2为纯剪时屈服应力，则剪应力当σ_yy＝-σ_xx＝τ_s2时， σ_xy＝0，当σ_xx＝σ_yy＝0时，σ_xy＝τ_s1，并且

另一种方法是根据厚向异性指数r0、r45、r90计算得出

p值不能解析得出，但是，当a，c和h已知后，经验证，对于 单轴拉伸，r_Φ(指0°、45°与90°三个方向的厚向异性指数)与p 为单值关系，因此可以由式(4-2)按迭代的方式求得

式中，σ45是与轧制方向45°单拉时的屈服强度；对于面心立 方材料，m＝8，对于体心立方材料，m＝6。

Lege等经验证发现，采用Barlat-Lian提出的这个屈服准则的 材料模型能够较好的预测2008-T4板料的强度变化和成形极限，尤其 是在描述r的变化时更好。

2)硬化模型建立。

材料的应力应变关系可以用应变强化指数n和系数k的关系式表 示：

式中的y、p是指材料发生屈服时的弹性应变，是有效塑性应变。 如果初始屈服应变SIGY为零，发生屈服时的应变可以由线弹性应力 应变方程和应变硬化方程得出：σ＝Eε；

材料发生屈服时的应变为：

如果初始屈服应力SIGY不等于零，并且大于0.02，那么

胀接计算，其中R代表外层管，r代表内层管，下角标i、o分 别表示内外壁；θ代表周向；r代表轴向；

根据拉梅公式：

上式中在内壁处的第一主应力与第三主应力的差值最大，考虑米 塞斯屈服准则，可以得到内管的极限压力：

考虑内管进入塑性和弹性共存状态，带入变形方程 并积分可以得到下式：

带入内管内壁处边界条件：当r＝r_i时有σ_r＝-p；并带入屈服准则 可以得到下式：

同样的考虑外管，并利用内外管变形协调条件，可以得到外管达 到弹性极限的压力：

当考虑卸载内外管的回复量相同时，即Δu_r0＝Δu_Ri，可以得到残 余接触压力：

其中c是内外管材料、集合参数确定的常数，为：

最终，本发明能够根据上述结果对胀接处理中对加工件施加的压 力的加载路径进行精确控制，以获得吻合材料特性的纤维增强金属层 管，以满足设计指标要求。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能 因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种绿色轻量化纤维增强金属层管，其特征在于，包括：

内层铝管，其经过丙酮浸泡去除杂质以及碱洗、烘干；

外层铝管，其经过丙酮浸泡去除杂质以及碱洗、烘干后，套设于所述内层铝管外围，所述外层铝管的内径接近所述内层铝管；

纤维预浸料，首先被粘贴在内层铝管的外壁表面，而后随同所述内层铝管被套设于所述外层铝管内，所述纤维预浸料被设置在所述内层金属管与外层金属管之间；

所述纤维预浸料由所述内层铝管和所述外层铝管包裹，随同所述内层铝管和所述外层铝管一并经过胀接处理而与所述内层铝管和所述外层铝管集成为一整体，其中，胀接处理的压力的胀接加载路径根据该纤维增强金属层的本征关系而确定。

2.如权利要求1所述的绿色轻量化纤维增强金属层管，其特征在于，所述纤维预浸料为树脂材质。

3.如权利要求1所述的绿色轻量化纤维增强金属层管，其特征在于，所述内层铝管和所述外层铝管管材在粘贴或套设所述纤维预浸料之前还经过预处理，所述预处理包括去毛刺、弯管、涂油。

4.如权利要求1-3所述的绿色轻量化纤维增强金属层管，其特征在于，所述纤维增强金属层的本征关系包括：屈服强度Rp、各向异性指数r、应变硬化指数n和应变硬化系数K；所述本征关系通过单向拉伸实验获得。

5.如权利要求1-4所述的绿色轻量化纤维增强金属层管，其特征在于，所述纤维增强金属层管的内层铝管和/或外层铝管为多层结构，所述多层结构中各层的间隙内同样设置有所述纤维预浸料。

6.如权利要求1所述的绿色轻量化纤维增强金属层管，其特征在于，所述纤维增强金属层的本征关系通过如下步骤获得：

步骤1，建立屈服轨迹为其中K₁＝(σ_xx+hσ_yy)/2，m为非二次屈服函数指数，x、为平行于轧制方向、y为垂直于轧制方向、z为垂直于板平面方向；a，h，p为表征各向异性的材料参数，σ_**表示对应方向上的应力张量；

步骤2，根据所述表征各向异性的材料参数a，h，p建立硬化模型式中的ε表示体应变；y表示指材料发生屈服时的弹性应变，是有效塑性应变；k表示系数；

步骤3，如果初始屈服应变SIGY为零，发生屈服时的应变可以由线弹性应力应变方程和应变硬化方程得出：σ＝Eε；进而计算获得材料发生屈服时的应变为：E表示应力；

如果初始屈服应力SIGY不等于零，并且大于0.02，则发生屈服时的应变可以由线弹性应力应变方程和应变硬化方程得出

步骤4，进行胀接计算，其中R代表外层铝管半径，r代表内层铝管半径，下角标i、o分别表示内外壁；θ代表周向；r代表轴向；u代表回复量；则，先根据拉梅公式获得：

进一步考虑米塞斯屈服准则，可以得到内层铝管的极限压力：

考虑内层铝管进入塑性和弹性共存状态，带入变形方程 并积分可以得到：将其带入内层铝管内壁处边界条件：当r＝r_i时有σ_r＝-p；并带入屈服准则，得到下式：

同样的对外层铝管进行计算，并利用内外管变形协调条件，可以得到外管达到弹性极限的压力：

当考虑卸载内外管的回复量相同时，即Δu_r0＝Δu_Ri，可以得到残余接触压力：

其中c是内外管材料、集合参数确定的常数，c为：

7.如权利要求1所述的绿色轻量化纤维增强金属层管，其特征在于，所述步骤1中，各向异性的材料参数a，h，p根据应力计算的方法得到，或根据厚向异性指数r0、r45、r90计算得出；

所述应力计算的方法为采用Bishop和Hill材料模型计算不同加载条件下的应力，从而求得各向异性的材料参数a，h，p；所述应力计算的方法中，假设σ₉₀为与轧制方向成90度方向单拉时的屈服应力，τ_s1、τ_s2为纯剪时屈服应力，剪应力当σ_yy＝-σ_xx＝τ_s2时，σ_xy＝0，当σ_xx＝σ_yy＝0时，σ_xy＝τ_s1，计算获得各向异性的材料参数

所述根据厚向异性指数r0、r45、r90计算的步骤具体包括计算：对于单轴拉伸，r与p为单值关系，由迭代计算获得各向异性的材料参数a，h，p；式中，σ₉₀是与轧制方向90°单拉时的屈服强度，对于面心立方材料，m＝8，对于体心立方材料，m＝6。