采用可成形纤维对齐技术(AFFT?)制造的自行车车架管状复合材料结构的铺层优化

《Journal of Composites Science》：Lay-Up Optimization for Bicycle Frame Tubular Composite Structures Produced with Aligned Formable Fibre Technology (AFFT?) Tommaso Vitali, Paolo Meda, Federico Olla, Roberto Frassine and Marco Luigi Longana

　　

借助可成形纤维对齐技术(AFFT?)，纤维被重新格式化成为高度取向的环氧预浸带，从而实现回收复合材料废料的结构性再利用。本研究探究了采用AFFT?制造的不连续纤维层压板是否能够通过长纤维复合材料领域已建立的有限元工作流程进行表征与优化，以及所得结构是否满足严格的刚度目标。首先，研究人员采用了多种制造方法，包括真空袋压、模拟热压罐条件的7 bar模压成型以及90 bar模压成型，涵盖了AFFT?层压板最合理的三种制造工艺。研究人员将实验测量的正交各向异性属性引入一个代表理想化自行车上管的有限元模型中，该模型被选为案例研究对象。一种遗传算法筛选了候选铺层顺序，以使弯曲与扭转组合变形最小化。与准各向同性基准相比，最佳铺层减少了超过30%的变形，表明良好取向的短纤维可以显著提高复合材料的刚度。采用优化铺层制造的管材在三点弯曲试验中进行了测试，实测刚度与仿真结果的吻合度在5%以内。这些结果确认了可持续工程的一个关键点：尽管不存在连续纤维，传统模拟策略仍能准确预测AFFT?层压板的性能，并可作为有效遗传优化的基础。这一验证具有重要意义：它使得利用成熟、经济高效的方法，通过回收材料设计出刚性、高性能的结构成为可能。通过证明针对传统连续纤维复合材料开发的优化策略同样适用于AFFT?，本研究为在下一代复合材料产品中扩大循环经济解决方案提供了一条可靠且易行的途径。

**论文解读：采用可成形纤维对齐技术(AFFT?)的自行车车架管状复合材料铺层优化**

**1. 研究背景与问题**

碳纤维增强聚合物(CFRP)因卓越的比刚度与疲劳性能，在航空航天、风能和高端体育用品领域不可或缺。然而，其广泛应用带来两大可持续性挑战：一是原生碳纤维生产能耗极高（200–600 MJ·kg^?1，每千克纤维可能释放高达20 kg CO₂当量）；二是大量报废复合材料仍以填埋或焚烧处理，预计到2050年每年将产生超过500 kt的CFRP废弃物。虽然通过热解或溶剂解回收热固性复合材料中的纤维在技术上可行，但回收纤维长度仅数毫米、上浆剂受损，若通过传统短纤维途径（如机械研磨、熔融共混或无纺毡）重新利用，其力学性能严重受限。因此，对不连续纤维进行重新取向是关键一步。可成形纤维对齐技术(AFFT?，原称HiPerDiF)可分散短切纤维于水中，通过狭缝喷嘴喷射至运动皮带上并在真空下去除液体，使得超过65%的纤维取向偏差在±3°以内；热压后预浸料的纤维体积分数接近40%，且当纤维长度超过剪滞临界长度时，可保留连续纤维层压板纵向模量的80–90%。然而，要使这些回收材料能用于苛刻的结构应用，还需证明其性能能够通过成熟、计算高效的设计工具可靠预测。

**2. 研究内容与意义**

本研究以自行车平衡车的上管（直径25 mm）为案例，探索AFFT?层压板能否满足实际弯曲与扭转载荷下的刚度要求。研究人员通过三种固化路线（真空袋压VB、7 bar模压CM7模拟热压罐、90 bar模压CM90）制备层压板，测量其正交各向异性弹性常数，并引入有限元(FE)模型，结合经典层压板理论(CLT)和遗传算法(GA)优化铺层顺序，使弯曲与扭转组合变形最小化。最后，制造优化铺层的管材并进行三点弯曲验证。论文发表于《复合材料科学杂志》(Journal of Composites Science)。研究表明，优化铺层可使组合变形比准各向同性基准降低30%以上，且三点弯曲实测刚度与仿真误差在5%以内，证实了传统有限元工作流程对AFFT?不连续纤维复合材料的适用性，为回收碳纤维在可持续高性能结构中的应用铺平了道路。

**3. 主要关键技术方法（不超过250字）**

研究人员采用以下关键方法：首先，通过三种固化路线（真空袋压VB、7 bar模压CM7、90 bar模压CM90）制备AFFT?预浸料层压板，并使用烧失法和阿基米德法测定纤维体积分数与孔隙率；其次，利用数字图像相关(DIC)系统在Instron万能试验机上对0°、90°和10°取向的试样进行拉伸测试，获取纵向模量E₁、横向模量E₂、剪切模量G₁₂和泊松比ν₁₂；再次，将实验测定的正交各向异性属性输入基于Abaqus/Standard的有限元壳模型（单元类型S4R，平均边长3 mm），模型中应用经典层压板理论(CLT)计算层压板刚度矩阵；最后，通过MATLAB-Python-Abaqus工作流运行遗传算法(GA)，以最小化归一化弯曲角α与扭转角β之和为目标函数，筛选32层（8个4层块，角度取15°倍数）的最佳铺层顺序。

**4. 研究结果**

**4.1 纤维体积分数与孔隙率（3.1节）**
通过烧失法与阿基米德分析，研究人员发现随着固化压力增加，纤维体积分数提高，孔隙率降低。从VB到CM90，纤维体积分数从约44%升至61%，孔隙率从约11%降至约1%（基于密度法的下限值）。显微照片（图3）进一步证实压力增大使层压板更致密、树脂富集区和孔隙减少。这是由于AFFT?预浸料制造过程中树脂需向下渗透浸渍底层纤维，低压下无法充分排气，而模压可迫使树脂填充纤维间隙并排出气体。

**4.2 力学性能（3.2节）**
拉伸测试表明，固化压力增大显著提升弹性模量：纵向模量E₁从VB的约44 GPa升至CM90的超过79 GPa；横向模量E₂和剪切模量G₁₂均增长两倍以上；泊松比ν₁₂保持在0.44–0.47。尽管AFFT?层压板的刚度较连续纤维复合材料低约15%（归因于纤维不连续性、轻微取向偏差及回收纤维表面退化），但差距较小，足以成为可行的结构选项。

**4.3 铺层顺序优化结果（3.3节）**
遗传算法(GA)结合Abaqus壳模型搜索32层设计空间，使归一化变形函数f=(α+β)/(α₀+β₀)最小化。所有固化路线下的种群平均目标函数均收敛至低于0.70，即刚度比准各向同性基准提升超过30%。最佳铺层序列中，小角度层（0°、15°、30°）占主导，且随压力变化：VB混合使用0°、15°和30°，CM7倾向15°，CM90则统一为15°取向。纯弯曲优化得到全0°铺层，纯扭转优化得到全45°铺层，而组合载荷优化结果介于二者之间，表明GA平衡了两种刚度要求。

**4.4 弯曲刚度验证（3.4节）**
研究人员采用VB路线制造三根优化铺层的管材（T1、T2、T3），在跨度180 mm的三点弯曲夹具下进行试验。有限元预测与T2、T3的实验力-位移曲线在1 mm弹性位移范围内高度吻合，误差在5%以内；而T1因制造缺陷（更高孔隙率）偏差较大。这表明尽管AFFT?纤维不连续，基于CLT的FE模型仍能准确预测其弹性弯曲行为，且制造质量对性能一致性至关重要。

**5. 讨论与结论**

研究讨论了AFFT?层压板在工程应用中的潜力与挑战。实验与仿真的良好一致性验证了使用传统有限元方法优化不连续纤维复合材料的可行性，这对推进循环经济意义重大——无需开发新设计工具即可利用回收纤维制造高性能结构。然而，制造一致性（如孔隙率控制）是影响可靠性的关键因素，需进一步优化工艺。结论部分原文翻译如下：“本研究证明了可成形纤维对齐技术(AFFT?)能够高效地将回收短碳纤维重新利用于高性能复合材料，适用于自行车上管等结构应用。通过比较三种制造方法（VB、CM7和CM90），研究表明增加固化压力可降低孔隙率并显著改善AFFT?层压板的力学响应。将经典层压板理论(CLT)嵌入有限元框架，并辅以遗传算法(GA)进行铺层优化，使研究人员能够设计出在弯曲和扭转组合载荷下具有增强刚度的定制层压板。管材级别的验证确认了该模型在不连续纤维架构下依然能够预测AFFT?复合材料在小变形范围内的弯曲行为。”未来可通过改进制造一致性、采用更真实的载荷谱、集成失效准则以及利用AFFT?对报废碳纤维自行车车架进行闭环回收，进一步提升优化可靠性并推动可持续性。