摘要：對碳纖維復合材料機械臂的結構設計與鋪層優化情況進行分析，總結出高分子復合材料在傳統機械臂金屬材料替代領域的性能優勢與價值，認為在滿足同等機械臂力學強度和剛度條件下，碳纖維復合材料能夠有效降低超過90%的機械臂自重，且變臂厚鋪層方案能夠獲得最為理想的機械臂結構。碳纖維復合材料的應用，對現代機械臂的輕量化設計大有裨益。

　　關鍵詞：碳纖維復合材料;機械臂;輕量化設計;性能優勢

　　機械臂是一種被廣泛應用于工業制造、物流產業等領域的裝備，對于現代工業的發展具有重要價值。傳統的機械臂采用的主體結構材料多為鋁合金、鋼材等，由于材料密度大，整體自重較大，在進行機械臂定位校準時往往會因為運動慣量過大帶來的沖擊力影響機械臂位置精度。碳纖維復合材料作為新型結構材料，其密度僅有1.7g/cm3左右，相比于傳統的金屬或合金材料低很多，是一種典型的輕量化的材料[1-2]。同時，碳纖維復合材料具有較高的材料強度，其強度是普通鋼鐵的5倍以上[3]。

　　復合材料論文： 硅藻土基復合材料在能源與環境領域的應用進展

　　采用碳纖維復合材料制備而成的機械臂，能夠大大降低機械臂自重，從而降低機械臂在進行工作時的慣性，使機械臂在各場景下作業更加平穩、快捷，同時提升機械臂的位置精度。總之，碳纖維復合材料制備的機械臂能夠在同等結構下增強機械臂強度，降低機械臂自重，對于機械臂加工工件精度和質量的提升具有積極作用。因此，本文針對碳纖維復合材料機械臂的結構設計與鋪層優化進行分析，旨在為碳纖維機械臂的進一步發展與優化提供幫助。

　　1機械臂材料選擇與鋪層設計

　　1.1結構分析

　　該機械臂的最左端為固定端，通常與機械主軸連接在一起，為論述方便本文將其簡化為一墻壁;原有的機械臂采用鋁合金材料制備而成，自重較大;在機械臂進行工作時，最右端需要承載最高950g的重物，此時要求機械臂的變形量小于7mm。然而，在實際的工作環境中，由于鋁合金機械臂的自重較大，長期使用狀態下會因機械臂自重與承載重物的共同應力下導致變形量大于7mm，最終影響機械臂的作業精度。為了進一步降低機械臂自重，提升機械臂作業精度與耐久性，需要將傳統的鋁合金材料替換為碳纖維復合材料。

　　1.2材料選擇

　　本試驗所采用的機械臂替換材料為碳纖維環氧樹脂復合材料。該復合材料中的碳纖維采用我國某品牌國產通用級T400型碳纖維以及M46J型高模量碳纖維，環氧樹脂則使用國內某企業生產的7901型產品。將T400型碳纖維以及M46J型高模量碳纖維分別與7901型環氧樹脂材料進行復合加工制備T400/7901型復合材料(以下命名為材料Ⅰ)以及M46J/7901型復合材料(以下命名為材料Ⅱ)。

　　材料Ⅰ、Ⅱ在密度、泊松比、縱向拉伸模量以及彈性模量等性能方面全面優于鋁合金材料，僅在橫向拉伸模量方面較鋁合金材料差距較大，因此，需要重點對碳纖維復合材料的鋪設角度、結構等進行考量，充分發揮材料縱向拉伸模量優勢[7]。與材料Ⅱ相比，材料Ⅰ的泊松比更小，在單向受力時橫向變形更小，但縱向拉伸模量以及彈性模量無法與材料Ⅱ相比。

　　1.3鋪層設計

　　原有的鋁合金機械臂采用等壁厚中空結構設計而成，按照原有結構長度2480mm尺寸不變的原則，用材料Ⅰ、材料Ⅱ替換鋁合金材料。由于材料Ⅰ、Ⅱ的性能存在差異，且碳纖維復合材料本身橫向拉伸模量較低，因此本試驗將材料Ⅰ、Ⅱ按照不同的角度和層次進行疊加鋪設，得到兩種不同的材料鋪層設計方案。

　　1.3.1等壁厚鋪層設計

　　在0°、±45°處使用材料Ⅱ，充分利用材料Ⅱ高模量特征;90°處采用材料Ⅰ，充分降低機械臂的整體泊松比[8-10]。

　　1.3.2變壁厚設計

　　在方案Ⅰ的基礎上，仍然按照0°、±45°處使用材料Ⅱ，90°處采用材料Ⅰ的原則，將機械臂按照不同的階段進行劃分。各分段的機械臂厚度保持一定的差異性，從而在保證機械臂整體結構性能的同時，嘗試進一步降低機械臂的自重。在近固定端0~400mm處鋪設26層、400~800mm處鋪設24層、800~1220mm處鋪設20層、1220~1640mm處鋪設18層、1640~2060mm處鋪設15層、2060~2480mm處鋪設11層。

　　2碳纖維復合材料機械臂性能優勢分析

　　2.1性能分析

　　本試驗所設計的兩種方案碳纖維復合材料機械臂在950g同等質量承載物條件下進行受力分析，對承載物、機械臂自重等給機械臂整體帶來的應力情況進行總結。為方案Ⅰ在不同檢測受力節點所受最大應力與對應位移情況。可見，在方案Ⅰ等壁厚條件下，機械臂受到的最大應力為12.18MPa，遠低于兩種碳纖維復合材料的機械強度;最大應力對應的機械臂位移也為最大位移，為6.88mm，滿足機械臂設計變形量小于7mm的要求。

　　2.2性能優勢分析

　　為充分了解碳纖維復合材料機械臂性能優勢，按照相同的力學參數檢測原則對原鋁合金機械臂的整體應力和位移情況進行分析，鋁合金機械臂與方案Ⅰ、Ⅱ整體應力與位移情況。與鋁合金機械臂相比，方案Ⅰ、Ⅱ在最大位移、壁厚以及機械臂整體質量方面均擁有巨大優勢。鋁合金機械臂的最大位移在7.00mm，長期使用無法保證機械臂小于7mm的變形要求;方案Ⅱ的機械臂整體質量與鋁合金機械臂相比降低了91.6%左右，能夠顯著降低機械臂自重且降低幅度較方案Ⅰ更大。考慮到方案Ⅱ帶來的材料損耗降低等優勢，本試驗認為采用方案Ⅱ變壁厚方案能夠獲得最為理想的碳纖維復合材料機械臂結構。

　　3結語

　　在滿足機械臂小于7mm的變形要求下，采用方案Ⅱ變壁厚結構能夠有效降低機械臂自重，降低碳纖維材料的使用量。方案Ⅱ狀態下能夠在最大應力9.68MPa條件下獲得僅6.80mm的機械臂最大位移，遠優于一般鋁合金機械臂，也較優于方案Ⅰ等壁厚結構;方案Ⅱ的機械臂整體質量僅0.77kg，與鋁合金機械臂相比降低了91.6%左右。因此，本試驗認為方案Ⅱ為三種機械臂結構中的最佳設計。

　　參考文獻

　　[1]宋前前,李俊姣,孫湘東,等.纖維素基碳纖維研究進展[J].合成纖維,2021,50(6):41-44.

　　[2]張育洋,李飛,虢海銀.T700碳纖維增強樹脂基復合材料的制備與性能研究[J].合成纖維,2021,50(3):54-58.

　　[3]姚江薇,占海華,鄒專勇.熱熔膜法碳纖維/環氧樹脂預浸料制備工藝[J].合成纖維,2018,47(2):19-21.

　　[4]程燕婷,孟家光,劉青,等.碳纖維-環氧樹脂復合材料的制備及力學性能表征[J].合成纖維,2016,45(3):38-42.

　　[5]隋顯航,郭輝,李顯華,等.碳纖維增強環氧復合材料機械臂結構設計與性能研究[J].化工新型材料,2020,48(7):235-237,243.

　　作者：張澤月1，羅俊波1，楊芳1，張夢佳2，戢曉珊3*