碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)复合材料拉拔制管工艺设计和模拟

刘明瑞¹，严飙²，彭福军²，彭雄奇¹，尹红灵¹

1. 上海交通大学材料科学与工程学院2. 空间飞行器机构重点实验室(上海宇航系统工程研究所)

摘 要：从太空制造角度出发,设计了一种碳纤维/聚醚醚酮（PEEK）预浸复合板料拉拔连续制管工艺.综合考虑了预浸复合板料的供料放卷过程、冲压、拉拔成形工步和超声焊接工序,并创造性的提出了卷曲拉挤成型方式.利用Johnson-Cook和Holzapfel-Gasser-Ogden模型构建了一种以PEEK为基体,以碳纤维编织布为增强体相互叠加的材料模型,通过实验数据确定材料参数.采用商业软件ABAQUS对各工序分步进行了地面条件下的有限元数值模拟,分析了预浸复合材料板材在供料放卷、冲压拉拔成形过程中的应力分布,并采用蔡-希尔最大变形能理论证明了本文设计的放卷模具和卷曲成形模具可以进行连续制管.在焊接过程中,分析了预浸料基体PEEK在焊接区域产生的Mises应力分布,证明了超声波焊接方案对管材表面质量的影响较小.模拟结果表明,所设计的连续拉拔制管工艺能够快速有效地生产出表面良好的管材.仿真结果可为后续复合材料在轨拉拔连续制管的工艺设计和制造提供借鉴.

关键词：碳纤维/PEEK预浸料;管材成形;拉拔工艺;数值模拟;叠层模型;