CN102693345A - 具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法。该方法包括以下步骤：1)对丝瓜络的空间结构特征值进行统计与分析，得特征值的平均数值；2)基于特征值的平均数值进行建模，得到初级丝瓜络结构模型，初级丝瓜络结构模型包含相互连接的多个结构单元；3)对初级丝瓜络结构模型进行有限元受力分析，并根据初级丝瓜络结构模型的受力变形云图对结构单元进行结构调整，得到丝瓜络结构模型作为复合材料预制体的结构模型。应用本发明的技术方案，可以模拟构建一种具有仿生结构的复合材料预制体，而这种仿生丝瓜络结构使得复合材料具备较高的拉伸、压缩和弯曲强度。

Description

具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法

技术领域

本发明涉及仿生制造领域，具体而言，涉及一种具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法。

背景技术

复合材料由于具有良好的综合性能、比重小等特点被广泛的应用于航空航天、汽车、人造生物组织以及高级体育用品等方面。近些年，随着科技水平的不断上升，各个行业对复合材料的需求量越来越大，同时所需求的复合材料制件也向着大型化、复杂化的方向发展。这就要求复合材料在制备过程中除了克服复合材料受力容易分层的问题外，孔隙率高、干纤维较多等浸渍不完全的问题也有待改善。

三维编织方法的出现解决了传统复合材料承受外界冲击时会产生分层的问题，但是三维编织复合材料预制体在随后浸渍树脂过程中，仍然会有浸渍不完全的缺陷。三维编织预制体由于纤维之间接触紧密，整体力学性能上提升，但是正是由于纤维之间紧密的结合，在浸渍过程中树脂难以完全浸透预制体，纤维束之间容易出现孔隙，浸渍后复合材料仍会由于存在孔隙、干纤维等缺陷而降低其力学性能，因此对于成型工艺和浸渍设备等要求都比较高。尝试在复合材料的编织预制体结构上加以改进，即在现有的先进的成型工艺的条件下，通过改进预制体的空间结构，提高自身对树脂等基体材料的浸润能力，这样在解决孔隙率和干纤维等问题的同时，还能有效的提高浸渍速率，并且解决了对现有成型设备要求严苛的问题，从而节省了复合材料生产成本，减少了生产能耗。

发明内容

本发明旨在提供一种具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法，以解决现有技术中复合材料预制体浸渍不完全的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法。该方法包括以下步骤：1)对丝瓜络的空间结构特征值进行统计与分析，得特征值的平均数值；2)基于特征值的平均数值进行建模，得到初级丝瓜络结构模型，初级丝瓜络结构模型包含相互连接的多个结构单元；3)对初级丝瓜络结构模型进行有限元受力分析，并根据初级丝瓜络结构模型的受力变形云图对结构单元进行结构调整，得到丝瓜络结构模型作为复合材料预制体的结构模型。

进一步地，丝瓜络的空间结构特征值包括：整体丝瓜络及丝瓜络内的结构单元的纵向纤维之间的距离长度、横向纤维与纵向纤维的节点群的位置、节点群中各个节点之间的位相关系、各节点所连接的纤维之间的空间夹角大小。

进一步地，建模采用CAD软件，有限元受力分析采用ANSYS软件。

应用本发明的具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法，可以模拟构建一种具有仿生丝瓜络结构的复合材料预制体，而这种仿生丝瓜络结构使得复合材料具备较高的拉伸、压缩和弯曲强度，并且有效的解决了传统复合材料预制体存在的浸渍不完全的技术问题。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的主视结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的主视结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的纤维编织路径示意图；

图4示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的俯视结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

丝瓜络是葫芦科植物丝瓜的成熟果实的微管束，主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，全体系是由错综复杂生长的丝状纤维交织而成的空间网状物。其横截面可见三个贯穿纵向的“B”字形孔洞，将孔洞的外层纤维网切开，呈现出丝瓜络的内部空间结构，主要由排布不规则的横向纤维层和外层密集的纵向纤维紧密连接构成。内部纤维层是立体结构而不是层合结构，即同一纤维层与各纵向纤维的连接点并不在同一个平面内；并且同一纤维层与单个纵向纤维的连接点也以节点群的形式存在，即某一纤维层所包含的各个纤维束与同一纵向纤维的连接点并不是同一处，而是以一定的规律分布在一段区域内。这样上下两层纤维层与两侧的纵向纤维形成了一个类似半封闭的空间，此空间原本是用来储存丝瓜籽的，除去丝瓜籽后的丝瓜络就是由这些半封闭孔洞和构成孔洞的排列复杂的纤维组成。丝瓜络的轴向由于外层纵向纤维层的存在，使得Z向的抗冲击能力比较高，并且在纵向纤维包裹的内部结构上，由于无序的孔洞的存在，同时构成这些孔洞的排列复杂的纤维较密集，并且其横向纤维与纵向纤维保持着紧密的连接，使得丝瓜络在承受外界作用力时，各向均有承载载荷的支撑结构，则具有较高的拉伸、压缩和弯曲强度，同时上述孔洞的存在，使得具有这种三维结构的预制体在浸渍树脂等基体材料时更容易浸润完全，能够有效地解决传统复合材料存在的孔隙率高、干纤维等问题。

根据本发明一种典型的实施方式，具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法包括以下步骤：1)对丝瓜络的空间结构特征值进行统计与分析，得特征值的平均数值；2)基于特征值的平均数值进行建模，得到初级丝瓜络结构模型，初级丝瓜络结构模型包含相互连接的多个结构单元；3)对初级丝瓜络结构模型进行有限元受力分析，并根据初级丝瓜络结构模型的受力变形云图对结构单元进行结构调整，得到丝瓜络结构模型作为复合材料预制体的结构模型。本发明的发明人创造性的将丝瓜络这种结构应用于复合材料预制体的制备，从而使复合材料具备较高的拉伸、压缩和弯曲强度，并且有效的解决了传统复合材料预制体存在的浸渍不完全的技术问题。

丝瓜络的空间结构特征值的设定能够较准确的描述丝瓜络的空间结构即可。优选地，丝瓜络的空间结构特征值包括：整体丝瓜络及丝瓜络内的结构单元的纵向纤维之间的距离长度、横向纤维与纵向纤维的节点群的位置、节点群中各个节点之间的位相关系、各节点所连接的纤维之间的空间夹角大小以及空间结构单元内纤维的各类特征长度值。其中，纵向纤维之间的距离长度对应每两根导向套之间的距离，节点群的位置对应单层纤维层与导向套连接点们的位置，各个节点之间的位相关系具体说应该是每层纤维层中三个纤维束之间的位相关系-相互夹角和与导向套连接点之间的距离等，以上的结构特征值是结构单元也是整体结构的特征值。

本发明中，建模可以采用CAD等软件，有限元受力分析可以采用ANSYS等软件，当然其他相关软件也可应用于此。

根据本发明一种典型的实施方式，具有仿生结构的复合材料的制备方法包括以下步骤：1)基于建模得到的丝瓜络结构模型构建导向装置并确定纤维缠绕顺序；2)在导向装置上按照所确定的纤维缠绕顺序进行纤维的缠绕，得到仿生丝瓜络结构作为复合材料预制体；3)将仿生丝瓜络结构与基体结合形成复合材料；；其结合的过程可以采用浸渍的方法。

优选地，导向装置包括导向模板和多根导向套群，其中，导向套固定设置在导向模板上，导向套上根据复合材料预制体的结构模型中的节点位置设置凹槽，用于容置嵌合纤维。

优选地，导向套的材料为碳纤维或金属；纤维的材料为碳纤维、芳纶纤维、或金属丝。优选地，填充物为聚合物或金属，其中，聚合物包括环氧树脂、酚醛树脂、氨基树脂、不饱和聚酯。

根据本发明一种典型的实施方式，具有仿生结构的复合材料包括按照复合材料预制体的结构模型获得的仿生丝瓜络结构以及基体，其中，基体填充在仿生丝瓜络结构中。

优选地，仿生丝瓜络结构包括导向套群和纤维，其中，导向套群由多根导向套构成；纤维按照根据复合材料预制体的结构模型确定的纤维缠绕顺序缠绕在导向套群上。具有仿生结构的复合材料中的导向套群(相对于纵向纤维也可以叫做是Z向导向套群)相当于丝瓜络的纵向纤维，呈丝瓜络状缠绕在导向套群上的纤维相当于丝瓜络的横向纤维。

优选地，导向套上设置有用于嵌合纤维的凹槽，防止缠绕在导向套上的纤维滑动。

根据本发明一种典型的实施方式，仿生丝瓜络结构可以是包括多个结构单元，该结构单元中的导向套群根据实际需要进行排列，如可以将导向套群排布成不同的形状，如立方体、圆形等，每个结构单元包括横向纤维层和与横向纤维层交叉设置的导向套阵列。例如，导向套阵列可以包括9根导向套，导向套成3×3阵列排列。导向套上在仿生丝瓜络状结构的节点处设置有凹槽，即导向套外层有凹槽，并且凹槽的分布依据纤维与导向套的连接点而定。根据本发明的实施例，纤维可以以导向套阵列中间的导向套为中心进行缠绕，而此结构单元周围的8根导向套又可以成为其他结构单元的中心，因此，各个结构单元之间并不是独立的。

优选地，具有仿生结构的复合材料的纤维层与各个导向套的节点不在同一个平面内，即单个纤维层与单个导向套的咬合是以节点群的形式存在，即单层的横向纤维层与单个导向套是以多个节点连接的，横向纤维层与各个导向套的连接点不在同一个平面内(如图1、2所示)，这样有利于复合材料拉伸、压缩和弯曲强度的改善。

实施例

首先研究丝瓜络中孔洞排布规律、纤维丝之间的缠绕方式和横、纵向纤维丝的结合方式等结构特征，然后利用CAD进行模拟模型设计，并结合ANSYS软件对建立的模型进行调试完善，在Z向导向套上在加工出依纤维束与导向套的咬合点位置而定的嵌合槽，按一定预制体结构要求将加工后的导向套有序排列在导向模板上，在编织时增强纤维遍历所有的导向套凹槽，即完成预制体的编制。该预制体内部纤维层与Z向导向套紧密结合，且预留有大量供树脂等基体流动的通道，不仅能避免脱层、受力变形等问题，还能有效改善浸渍过程中气泡难以排出、干纤维等问题，有效提高了复合材料综合性能。

该实施例的具体操作步骤如下：

步骤一：对丝瓜络的空间结构进行特征描述，包括对各个用来支撑整体结构的纵向纤维之间的距离长度、横向纤维与纵向纤维的连接点群(节点群)的位置、节点群中各个节点之间的位相关系、各节点所连接的纤维之间的空间夹角大小以及空间结构单元内纤维束的各类特征长度值的丝瓜络的结构特征值做统计与分析，得出上述各特征值的平均数值；

步骤二：利用各特征值在计算机上完成CAD模型的设计，得到仿生丝瓜络空间结构的预制体三维结构单元，如图1所示的纤维1和导向套2构成，用有限元分析软件如ANSYS对所建立的结构模型进行受力分析，根据结构间的受力变形云图对结构单元进行结构上的微调，完善该仿生丝瓜络的三维机构模型；

步骤三：在导向套外层加工凹槽，凹槽的分布依据模型中纤维与导向套的连接点设定；

步骤四：将导向柱按上述结构模型排列在导向模板上，根据矩形的截面轮廓将带有凹槽的导向套排布在导向柱上，如图3所示，将带有凹槽的碳纤维导向套按3×3排列在导向模板上，分别编号A-I，选取连续碳纤维束作为增强材料；

步骤五：在预制体制备时，按CAD模型中的三维结构，将纤维缠绕导向套的凹槽进行编制，以三束纤维束构成的单层纤维为例，编织时由下而上一层一层编织，由导向套I开始进行编织，纤维束依次缠绕导向套A-B-C-A-D-E-A-F-G-A-H-I，纤维束在导向套之间的缠绕方式如图3中带箭头直线所示，即同一纤维束与各导向套的咬合点不在同一平面内；第一道编织路径3完成之后，纤维束回到初始位置一导向套I，此时开始第二次编织4，其路径为纤维束依次缠绕导向套B-A-C-D-A-E-F-A-G-H-A-I。两道路径完成之后预制体外层形成了完整的纤维束包覆，预制体内部形成大量宽阔的三角形的Z向通道。待纤维遍历所有导向套的凹槽后，取下缠绕纤维的导向套，完成预制体的编制，其结构单元的俯视结构示意图如图4所示；

步骤六：将填充物浸渍进预制体中，得到具有仿生结构的复合材料。

本发明通过仿生丝瓜络的空间结构特征，建立复合材料预制体的三维结构，提高复合材料综合性能。相对已有的复合材料编织预制体的结构来说，本发明所提供的仿生丝瓜络的三维结构，其优势在于：

(1)纤维层与导向套结合紧密，纤维层在长程范围内摆脱了层的概念，预制体整体结构中，纤维层为立体分布的；

(2)有效降低浸渍过程中出现的气泡难以排除、孔隙率高等浸渍不完全的问题；

(3)适用于大尺寸、形状复杂的预制体制备，并且制备过程自动化程度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对丝瓜络的空间结构特征值进行统计与分析，得特征值的平均数值；

2)基于所述特征值的平均数值进行建模，得到初级丝瓜络结构模型，所述初级丝瓜络结构模型包含相互连接的多个结构单元；

3)对所述初级丝瓜络结构模型进行有限元受力分析，并根据所述初级丝瓜络结构模型的受力变形云图对所述结构单元进行结构调整，得到丝瓜络结构模型作为所述复合材料预制体的结构模型。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述丝瓜络的空间结构特征值包括：整体所述丝瓜络及所述丝瓜络内的结构单元的纵向纤维之间的距离长度、横向纤维与纵向纤维的节点群的位置、节点群中各个节点之间的位相关系、各节点所连接的纤维之间的空间夹角大小。

3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述建模采用CAD软件，所述有限元受力分析采用ANSYS软件。

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