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复合材料桥梁用三维织物研究

2013-07-10　

传统制造复合材料材料平板，一般采用随机排布的短纤维，其弊端是纤维不连续，生产前需要贮备纤维预浸料或者2维织物。对于3维壳状结构，纤维缠绕、压制成型和织物悬垂工艺都可以使用。3维整体织物是一种具有吸引力的替代材料。3维织物可以制成多种形式，和复合材料桥梁相关的形式一般有：（1）Z方向上多层无纺布缝合起来的，（2）平板或更为复杂的3维结构，（3）包含空隙的多孔层合板。编织技术也有应用。

三维织物复合材料的优势有：

抵抗分层和增强复合材料穿过厚度方向的性能

容易进行浸胶、模压和热粘接等组装操作

对传统纺织机械只需进行细微改进

大批量生产时具有经济性

如果采用玻璃纤维或者聚酯纤维作为增强材料，与钢铁相比具有竞争力。

本文将描述3维织物的结构形式、设计过程以及制造工艺。实际应用的研究结果是制造一种小型步行桥，包括3大部件：有板梁，纵梁和面板组成的通道，两侧的护栏结构。桥梁的承载能力由板梁、纵梁和 主梁提供。

简介

从古至今，木材、石头、钢铁和混凝土等材料被广泛的应用于桥梁建设。20世纪，桥梁建设受到高分子树脂、玻璃纤维和其他纤维以及他们组合形成的纤维增强复合材料的影响非常有限。复合材料产业被分成几个方向：一个是便宜的、使用玻璃纤维增强的复合材料，具有合适的强度性能，主要生产消费品。另一个是应用于航空航天和其他有特殊要求的高性能复合材料，使用昂贵的碳纤维和高模量纤维。而两者之间的中间地带，以建筑行业为代表的，用量巨大但力学性能要求较低的复合材料应用被忽略了。随着克服工业化中的保守主义，最近Cam Middleton教授在剑桥大学校刊上发表了一篇名为“Consruction is not on the list of hi - tech efficient industries”的文章，阐述了提供一种满足性能和成本需求的材料的制造工艺。

使用3维织物可以提供与传统制造工艺生产复合材料相比的巨大优势。

3维编制技术的发展

表1展示了复合材料常用的制备工艺，均在复合材料的性能或制造成本上有缺陷。在上世纪80年代，使用3维编制材料成为创新的方向。具有代表性的企业有Elsevier’s Composite Materials 集团，由R Byron Pipes设计改进；和Textile Structural Composites 公司，由Chou and Ko 在1989年设计，参见文献“Forming rigid fibre assemblies: the interaction of textile techn ology and composites engineering (Hearle and Du, 1990).”

random fibre placement 纤维随机排布	dispersed short fibre injection mould 短切纤维注射模塑成型 lay- up of fibre mats  手糊纤维毡 nonwoven performs 无纺织物
simple filament laminates 简单的纤维层合板	lay- up of prepreg 预浸料铺放 filament winding 纤维缠绕
interlaced laminates 面内交错的层合板	simple woven fabrics 简单的编织物 knitted fabrics with laid - in yarns 面内有缝编线的针织物
3 - D shell structures 3维壳结构	filament winding 纤维缠绕 press- forming  压力成型 fabric draping 织物悬垂
PROBLEMS: 困难 3D short fibre moulding: orientation / fibre length  3维短切纤维模塑成型：纤维取向/长度 laminates, essentially 2D: manually int ensive lay -up/ weak through thickness 层合板，本质上是2维：人工操作铺放/厚度方向上强度较弱 press- forming & fabric draping: limited deformability 压制成型和织物悬垂：变形性差

早期发展3维编制物的很多研究者都开发了特制的设备，只有很小的部分进行了商业应用。此后，越来越多的曼彻斯特大学研究的结构和实例证明，3维编制技术可以仅对传统纺织机械进行细微改进就可以实现。这其中的优势将在本次大会中发布（参见TexEng Software Ltd and RWTH Aachen, 2012）

All textile materials have an internal 3D structure of fibres and, in most forms, yarns. By 3D

fabrics, which may be woven, braided, knitted or nonwoven, we mean:

所有的编织物内在都有纤维形成3维结构，主要是纱线。通过纺织、编织、针织或者无纺的3维织物，我们可以得到：

拥有3维外形的单层材料

多层空腔材料

多层实心平板材料

3维实心多层材料

复合材料桥梁上主要应用了图1中展示的各种3维纺织材料，当然编织的织物也有使用。通过使用这些织物，整合了复合材料结构，克服了表1中描述的问题：特别是厚度方向上性能得到改善；产品成本下降，减少了织物制造和复合材料生产上的人力成本。


The design of 3D weaves is more complicated than  for 2D weaves, but a program, Weave

Engineer , based on mathematical principles by Chen et al (1996) is available from TexEng

Software Ltd. It is easy to use in a series of steps. A typical output, which can be used as

input to the control software of a weav ing machine , is shown in Figure 2. 

3维编制技术比2维编制更加复杂，TexEng Software Ltd 在chen等人（1996年）提出的设计原则上推出了一款程序，广泛应用在这个行业中。图2 展示的是通过软件控制的纺织机的产品设计输入界面。


平板织物可以在宽织布机上编制，通过使用图1中的编制物即可。线性元素可以在窄织布机上纺织，但是编织更加方便。管状织物可以是圆形或者方形，中间填满轴向的纱线，见图3a-d。

图2中展示的是编制模型的原理图，面临着将这些技术工业化应用的问题，还需要研究材料应力-变形的反应。和21世纪相比，传统的纺织业仍然青睐实际生产经验而不是计算机辅助设计，但是需要建筑行业工程师和其他行业工程师之间的相互联系。学术研究带动了相关结构和产品的应用，但是更多的研究应该用于发展行业适用的软件。相同的问题出现在上世纪80年代，石油工业需要设计深海钻井设备。钢铁过于沉重，而FRP材料是良好的解决方案。Joint Industry Projects项目推行了包括CAD技术的研究发展，将织造工程和海洋工程师们联系起来。类似的解决方案今天同样适用。

某3维编制复合材料桥梁的有限元分析

Working with Don Blackburn, TexEng Software Ltd carried out a feasibility study, (Chen and

Hearle, 2010), for a composite footbridge for Blackburn Fraser Ltd (BFL). Figure 4 shows

examples of their products.

与Don Blackburn一起，TexEng Software Ltd开展了为lackburn Fraser Ltd公司建造一种复合材料人行桥的可行性研究（Chen和Hearle, 2010）。图4 展示了他们的研究成果。

图5展示了使用编织复合材料生产的小桥支撑构件：有直线的纵向梁和扶手，横向的水平板梁和立杆。其他的构件有组成桥面的复合材料平板和在桥梁两侧的保护板。


纵梁和水平横杆可以由图3中展示的管状结构制成。编制是一种工艺路线，编制工艺可以很好的编制轴向制品。

或者，管状纺织物也可以由两层织物两端纺织封口组成。如果制件为方形截面，其边长为a，宽度为2a。在长度方向上，管状织物可以做到几百米长，当然需要经向编制。板梁和两侧立杆形成U型结构，可以使用简单的管状织物通过切割和弯曲形成。图5a显示了切割和弯曲之后的管。桥板是由平板纺织材料制成，为了达到强度要求，增强材料的结构选择图2b显示的3维实心纺织结构，这样3个基本方向上均有直线维。两侧护板可以有3维平板复合材料制成。如果有必要，桥板可以平铺在纵梁上，提供额外的强度。

组装桥梁时，首先安放纵梁，再将U型结构安放在纵梁上，如图5c所示。两者可以通过螺栓连接或者粘接，粘接方式材料的一致性更好。如果有必要，连接处可以使用直角形的多层织物进行增强。水平横杆固定在立杆上。最后桥板放在在板梁上，两侧的防护板也完成固定。整桥可以在工厂内完成组装或者在施工地点附近的平地上进行。

复合材料和钢铁的技术/经济对比

一个全面的技术设计包括提供所有组件的尺寸，桥梁的规格，还要考虑的要求的强度、刚度、和其他参数。这些要求通过使用有限元软件进行分析，最后预估了成本。

表2 结果展示了1995年Hearle et al进行的复合材料桥板和钢梁组合效应的计算结果。本文建议一种连续批量化生产方案，如图6所示。纤维从纱架供给到编制机，可以制作各种形状产品如梁。然后织物通过加热炉，固化形成复合材料。（即纤维编制拉挤技术）。考虑到的资金和运行成本，制造成本大约6欧元/m。产量需求较大时，成本越受欢迎。计算时，根据产能为840000m每年。短期内，非常需要采用更经济的方式；如拆分纤维编制、自动化产品切割工艺等。

在把桥梁从钢桥替换为GRP复合材料桥梁的过程中，这些数据可以大致预测桥梁尺寸和成本。为了满足最大载荷要求，玻璃纤维复合材料需要更薄，可以减少1/10的重量，一半的材料成本。为了满足刚度要求，玻璃纤维复合材料需要更厚，增加接近一半的重量和两倍以上的成本。使用3维编制材料，如图7所示蜂窝状结构，可以减少重量的同时保证足够的刚度。弯曲和剪切刚度与桥梁性能比较相关，受截面形状决定，这需要更加详细的分析。使用芳纶纤维可以大幅减重而且满足刚度要求，但是更贵。碳纤维那就更贵了。

	钢	玻纤	聚酯	芳纶
极限载荷对比
面积， m2	0.0086	0.0021	0.0070	0.0024
重量， kg/m	68.40	4.35	9.82	3.20
材料成本UK£/m	13.7	4.79	9.62	52.97
刚度对比
面积， m2	0.0086	0.0132	0.0239	0.0111
重量， kg/m	68.40	27.84	33.52	14.74
材料成本UK£/m	13.70	30.61	33.52	244.31

图7 3维蜂窝编织物. (a) 编制设计. (b)最终结构.

结论

玻璃纤维复合材料在提高机械性能和减重方面有着良好的应用记录。较轻的重量降低了安装的成本，因为不需要使用重型的运输和起吊机械。其便于运输的特点，可以估计，在军事行动或者进行更换替代上具有应用前景。耐疲劳性能良好。同时具备很好的耐腐蚀性能，可以减少甚至取消电极保护和涂装的成本。复合材料寿命长。有研究表明，复合材料桥梁比混凝土结构或者钢结构桥梁对环境的影响更小。使用3维纺织或者编织织物作为增强材料可以增强复合材料在厚度方向上的性能，而且经济成本更好，更便于组装。

上述桥梁的设计过程选择了一种经济的制造工艺。采用最简单的实心型材结构，虽然不能说吸引人，但是外观可以改进。可以对制品表面进行处理，得到平滑或者有布纹效果的表面。挑选护栏边板的尺寸和规格，并进行切割。如果在制造复合材料时加入填料，可以获得一体的颜色效果，而且无褪色之忧。这类似家具生产，在表面添加彩纸或者织物，获得与环境一致的具有吸引力的外观。

有的客户喜欢传统的桥梁样式，如图1 所示，有立柱、水平或者斜的边栏，这些都可以使用管状的复合材料。这些桥相对比较复杂，因此需要进行研究和发展出最好的制造路线。桥梁有更多的部件，这意味着如何连接并确保有足够的强度是一个很重要的问题。

包括的部件有 ：

A） 两根主梁  为了安装支柱，顶部和底部开孔的箱式梁，可以再其中填满短切纤维复合材料或者其他可以保证稳定性地材料

B） 支柱  圆柱型或者其他形状。用于连接主梁和扶手。

C） 桥面板  安装在主梁上面的平板。宽度上可以横跨主梁，同时可以开孔方便支柱安装。

D） 扶手  为了安装支柱，在扶手上开孔。

木材和钢铁的使用往往倾向于直线设计。曲线设计在某些区域会非常吃香。BFL公司采用钢材建造了图4c中展示 桥型，但是造价昂贵。3维编织产品很容易弯曲到所需形状，如图3e，因此，在曲线物品很稳定，这也为设计者打开了新的大门。

除了玻璃纤维，高性能的聚酯纤维也是复合材料的潜在应用材料。杜邦公司在1980s年代就展示了其可以达到很高的性能，但是商业化进程缓慢。表2数据可以证明，聚酯纤维的性能可以与玻璃纤维相比。低熔点的共聚物纤维被应用为热塑性粘接剂或者自粘胶。但是，热固性树脂不可回收，热塑性树脂可以熔化，然后树脂重新利用。这在建造临时性桥梁时，可以考虑。聚酯复合材料还可以使用染色的纱线获得不同的图案。

本文通过BFL实例展示了复合材料桥梁可以作为木材和钢结构桥梁的替代品。下一步将是进行研究，设计简单的部件，更小的尺寸，展示最后的性能，经过组装实现整体良好的性能表现。这些实践研究伴随着更加详细的性能分析。

本文这种介绍了BFL制造的一座小桥。但是相同的技术可以应用在大桥上面，比如BFL建造的从高速路下来的车型桥。对于大多数桥梁来说，质量轻不是主要的因素，在军用桥梁，需要使用直升飞机进行运输的桥梁上，在需要更换的桥梁领域，本文所述桥梁可以作为临时桥梁使用。更多，更广泛的使用3维编制复合材料的部件将被应用于大规模的公路、铁路或者其他桥梁上。

致谢：

我们非常感谢Farmers Bridges Ltd公司的Don Blackburn先生在桥梁市场领域给予的建议，感谢NorthWest Development Agency在项目可行性研究中给予的担保支持。

参考文献

Chen X. and Hearle J. W. S. (2010), Report to Blackburn Fraser Ltd, Bridges Made from 3D

Textile Reinforced Composites.

Chen X., Knox R. T., McKenna D. F. and Mather R. R. (1006), J. Textile Inst., 87, Part 1, 356-370. 1996.

Chou T - W. and Ko F. K. (1989), editors. Textile structural composites, Elsevier, Amsterdam,

Netherlands, 1.

Hearle J. W. S. and Du G. W. (1990), J Textile Inst, 81, 360 -383.

Hearle J. W. S., Smith J. T. and Day R. J. (1995), TechTextil Symposium 1995, Lecture No.104.

TexEng Software Ltd and RWTH Aachen (2012), Fourth World Conference on 3D Fabrics andtheir Applications.

Xiaogang Chen/陈晓刚  英国曼彻斯特大学材料学院纺织品与纸张研究组 ，xiaogang.chen@manchester.ac.uk

John W S Hearle 英国曼彻斯特，TexEng软件有限公司，johnhearle@hearle.eclipse.co.uk

Brian J McCarthy 英国曼彻斯特，TechniTex（织造局）公司，brianmccarthy@technitex.org

编译：天津南车风电叶片工程有限公司

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