CN103722842A - 一种变刚度纤维复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度纤维复合材料制件的制备方法，具体地，本发明采用有限元软件对复合材料制件在实际工况下的受力情况进行静力分析，得到各结点的主应力大小及方向分布，并用与优化参数关联的曲线族函数描述纤维的轨迹，采用非线性加权最小二乘法对纤维轨迹进行优化得到最优纤维轨迹，从而制备纤维复合材料制件。该制备方法可制得纤维轨迹优化的复合材料制件，充分发挥纤维的力学性能，提高纤维铺放规则连续性和可制造性，同时实现对刚度和强度的裁剪优化设计，在减轻结构重量、提高结构性能和降低制造成本等方面显示出极大的优势和发展潜力。

Description

一种变刚度纤维复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种高性能纤维复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

纤维复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一系列优异性能，被广泛应用于航空航天、航海、国防、交通运输、土木建筑、能源、化工机械、体育娱乐等领域。随着复合材料在航空航天和高性能民用领域的应用发展，在提高复合材料结构性能的同时，对结构重量和制造成本提出了更高要求。

传统的纤维复合材料层合板通常采用平行顺直纤维铺放形成的复合材料叠层制备，且为了简化设计和施工便利，工程中经常采用0°、±45°和90°铺层方向，设计自由度受到很大限制，不能充分发挥纤维的承力性能，且采用传统织物制备纤维预成型体时产生大量的边角废料，浪费量大。

随着自动化技术和先进纤维铺放技术的发展，为充分发挥纤维力学性能，可通过控制纤维丝束的牵引方向，在各单层内可自由设计随空间位置连续变化的纤维取向。

现有的纤维轨迹优化方法大多数是根据构件主应力的大小和方向确定一条初始参考线(纤维轨迹与主应力方向保持一致)，然后通过等距偏移得到一组参考线来完成整个构件曲面的轨迹规划。该法设计参数少，算法简单，较易实现，但是容易产生纤维重叠、排布不连续、空隙或者因曲率约束生成不可行轨迹等问题，对复合材料层合板的性能产生不利影响，甚至可能增加成型工艺的复杂性。

为了充分利用纤维自由取向的设计特点发挥复合材料的各向异性性能，另外一种方法是将构件离散成若干“单胞”层合板，采用层合板参数对各个“单胞”层合板进行性能分析得到整体性能的空间分布情况，然后优化纤维的轨迹。该法设计变量较多，设计自由度大，能显著提高变刚度复合材料的性能，但是计算量过大，效率低下，同时易产生纤维排布不规则、不连续问题，制造困难，难以在实际中应用。

综上所述，本领域迫切需要一种设计自由度大，算法简单，效率高，纤维排布规则有序，纤维优化轨迹容易铺放成型，成型工艺简单的纤维轨迹优化方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种参数少，易于计算，成型工艺简单，成本低，适合工业化生产的纤维轨迹优化方法。

本发明的第一方面，提供了一种纤维复合材料(尤其是变刚度纤维复合材料)制件的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)对复合材料制件在实际工况下的受力情况进行静力分析，得到制件各结点的主应力大小及方向分布的数据(或情况)，从而确定主应力集中区域和主应力方向；

(2)根据主应力集中区域大小和主应力方向对制件性能的影响程度，将制件分成多个小区域，针对每个小区域的主应力分布特征，设计与优化参数关联的曲线族函数，所述曲线族函数用于描述纤维的轨迹；

(3)采用非线性加权最小二乘法，根据制件的主应力分布情况，对纤维轨迹进行优化，从而得到制件的优化纤维轨迹；

(4)按照优化纤维轨迹，采用纤维丝束制备纤维预成型体；和

(5)通过复合材料成型工艺，将所述的纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

在另一优选例中，所述的优化纤维轨迹是最优纤维轨迹。

在另一优选例中，步骤(1)中，通过有限元软件(如Ansys、Abaqus等)对受力情况进行分析。

在另一优选例中，将整个制件分成2-100个小区域，较佳地2-30个小区域，更佳地分成2-15个。

在另一优选例中，将制件的主应力集中区域分成至少2个，较佳地至少4个。

在另一优选例中，在步骤(3)中，根据制件的各小区域的主应力大小和方向分布，对纤维轨迹进行优化。

在另一优选例中，在优化时，以主应力大小为权数，在主应力大的区域，权数也大；在主应力小的区域，权数也较小，并采用非线性加权最小二乘法对层合板纤维轨迹进行优化，得到层合板的优化或最优纤维轨迹。

在另一优选例中，优化或最优纤维轨迹的方向或者纤维丝束的方向与主应力的方向吻合或基本吻合；和/或

在主应力大的区域，优化或最优纤维轨迹的密度或者纤维丝束的铺放密度较大；在主应力小的区域，优化或最优纤维轨迹的密度或者纤维丝束的铺放密度较小。

在另一优选例中，步骤(3)中的纤维轨迹优化步骤还包括：删减实施例的孔周边部分受压应力的纤维轨迹，得到进一步优化的纤维轨迹。

在另一优选例中，所述的制件是具有开孔的制件，或所述的制件具有需要加强的区域(如开孔区域)。

在另一优选例中，所述步骤(2)中的优化参数选自下组：纤维方向角、铺层厚度、纤维铺放密度，或其组合。

在另一优选例中，所述纤维复合材料是由树脂基体材料与增强纤维材料形成的复合材料。

在另一优选例中，所述的纤维复合材料是变刚度纤维复合材料。

在另一优选例中，在所述步骤(3)中基于制件的制造要求进行优化，其中所述制造要求选自下组：力学性能、重量、成本、成型工艺参数，或其组合。

在另一优选例中，所述的纤维丝束包括：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维，或其组合；或者所述的纤维丝束是热塑性树脂纤维和选自下组的一种或几种纤维所组成的混杂纤维：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维。

在另一优选例中，所述的热塑性树脂纤维为热塑性聚合树脂或热塑性缩合树脂纤维，较佳地为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。

在另一优选例中，所述的树脂基体为热塑性树脂；较佳地，所述的树脂基体选自下组：不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。

在另一优选例中，所述的复合材料成型工艺包括复合材料液体模塑成型、热压罐成型、模压成型，或其组合。

本发明的第二方面，提供了一种用于制备变刚度纤维复合材料制件的纤维预成型体，所述的纤维预成型体包括通过缝合线或粘合剂固定的纤维丝束，且所述的纤维丝束所构成形状与纤维复合材料制件的形状相对应或相同，并且所述纤维丝束是按照优化纤维轨迹进行排列或分布的。

在另一优选例中，所述的纤维丝束通过缝合线或粘合剂而固定于底材上。

在另一优选例中，所述的优化纤维轨迹是通过如本发明第一方面所述方法的步骤(1)-(3)所确定。

在另一优选例中，所述的纤维预成型体具有开孔，或纤维预成型体具有需要加强的区域。

在本发明的第三方面，提供了一种变刚度纤维复合材料制件，所述的制件用纤维复合材料制成，并且所述的复合材料是由树脂基体材料与纤维材料形成的复合材料，其中所述纤维材料包括按照优化纤维轨迹进行排列或分布的纤维丝束。

在另一优选例中，所述的优化纤维轨迹是通过如本发明第一方面所述方法的步骤(1)-(3)所确定。

在另一优选例中，所述的制件中，≥80%(较佳地≥90%，≥95%，≥99%)的纤维丝束是按优化纤维轨迹(或最优纤维轨迹)进行排列或分布的。

在另一优选例中，所述纤维复合材料制件的拉伸强度大于400MPa，较佳地大于500MPa，更佳地大于600MPa，最佳地大于900MPa。

在另一优选例中，所述的制件通过如本发明第一方面所提供的方法制备。

在本发明的第四方面，提供了本发明所述的预成型体的用途，它被用于制备增强的纤维复合材料制件，更佳地用于制备刚度和强度增强的变刚度纤维复合材料制件。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明实施例中复合材料层合板的结构与所受拉伸载荷方向示意图。

图2是本发明实施例中复合材料层合板单向拉伸平面第一主应力矢量图,其中横坐标和纵坐标的单位为米(m)。

图3是本发明实施例1中纤维预成型体的优化纤维轨迹示意图,其中横坐标和纵坐标的单位为米(m)。

图4是本发明对比实施例1中纤维预成型体的直线纤维轨迹示意图,其中横坐标和纵坐标的单位为米(m)。

图5是本发明实施例2中纤维预成型体的纤维轨迹示意图,其中横坐标和纵坐标的单位为米(m)。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，意外地发现，采用将变刚度纤维复合材料预成型体分成若干小区域并针对其应力分布特征设计合适的曲线族函数描述制件的纤维轨迹的方法，可以有效地得出优化或最优化的纤维轨迹分布，从而制得具有高强度，性能好，重量轻，成本低廉的变刚度纤维复合材料制件。本发明方法可显著提高纤维复合材料结构性能、减轻结构重量并降低制造成本。

术语

如本文所用，术语“变刚度复合材料”指带有连续变化纤维角度铺层的复合材料。

如本文所用，术语“本发明的变刚度复合材料”或“本发明的复合材料”可互换使用，指含有用本发明方法进行轨迹优化的纤维丝束的复合材料。

如本文所用，术语“本发明的制件”指由本发明的复合材料制得的制件。由于纤维丝束的铺放进行了轨迹优化，因此进一步提高了性能和/或降低了重量。

如本文所用，术语“本发明的预制件”指由本发明的复合材料制得的制件。由于纤维丝束的铺放进行了轨迹优化，因此进一步提高了性能和/或降低了重量。

纤维轨迹优化

在本发明中，纤维复合材料制件的优化或最优纤维轨迹设计是至关重要的，该方法通常包括以下步骤：

1)对复合材料制件在实际工况下的受力情况进行静力分析，观察主应力分布特点和趋势，得到制件各结点的主应力大小及方向分布的数据(或情况)，从而确定主应力集中区域和主应力方向。

2)根据主应力集中区域和主应力方向对制件性能的影响程度，将制件分成若干小区域，针对每个小区域的应力分布特征设计合适的与优化参数关联的曲线族函数描述纤维的轨迹。

3)以实际制造要求为优化目标，采用非线性加权最小二乘法对纤维轨迹进行优化，得到制件的优化或最优纤维轨迹。

较佳地，复合材料制件预成型体的纤维轨迹优化参数包括纤维方向角、铺层厚度变化、纤维铺放密度中的一种或多种。

复合材料制件的实际制造要求包括力学性能、重量、成本、成型工艺参数中的一种或多种。

以一个含有需增强部位(如开口)的制件为例，先用常规的有限元软件对复合材料制件在实际情况下的受力情况进行静力分析，得出制件各结点的主应力大小及方向分布的数据(或情况)，从而确定主应力集中区域和主应力方向。

接着，根据主应力集中区域和主应力方向对制件性能的影响程度，对开孔复合材料层合板的纤维轨迹设计了分段式曲线族方程。对于圆形开孔，在影响区域内,一种合适的曲线族方程为余弦函数，在影响区域外其方程为线性函数。该分段函数在X轴上半部分方程为：

$y=f(x,t,V)=\left\{\begin{array}{c}\left(\frac{r+v_{1}t}{2}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{v_{2}r}x\right)+\frac{r+t}{2},x\∈[-|\frac{v_{2}r}{3}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∩y\∈[0,-\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1})]\text{;}\\ y_i,x\∉[-|\frac{v_{2}r}{2}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∪y\∉[0,-\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1})]\end{array}\right.$

其中，r为开孔复合材料层合板的半径，t为曲线族系数，v＝[v₁,v₂]，v₁、v₂为与纤维取向相关的优化设计参数。(见图2)

由于图2所示开孔复合材料层合板在单向拉伸载荷下第一主应力方向关于X轴对称，因此，纤维轨迹分段函数在X轴下半部分曲线族方程为：

$y=-f(x,t,V)=\left\{\begin{array}{c}-\left(\frac{r+v_{1}t}{2}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{v_{2}r}x\right)-\frac{r+t}{2},x\∈[-|\frac{v_{2}r}{3}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∩y\∈[\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1}),0]\text{;}\\ y_i,x\∉[-|\frac{v_{2}r}{2}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∪y\∉[\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1}),0]\end{array}\right.$

然后，以纤维(丝束)方向与主应力方向的最小偏差为优化目标，以第一主应力大小作为权数，在主应力大的区域，权数也大，在主应力小的区域权数也较小，采用非线性加权最小二乘法对层合板纤维轨迹进行优化，得到优化参数的局部最优值，进而得到层合板的最优纤维轨迹。

预制件和制件的制备

基于本发明所述的优化或最优纤维轨迹，本发明还提供了变刚度纤维复合材料制件以及相应预制件的制备方法，包括步骤：

i)根据优化或最优的纤维轨迹，铺放纤维丝束，从而制得纤维预成型体；

ii)通过复合材料成型工艺，将所述纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

变刚度复合材料

本发明提供了一种性能(尤其是机械性能)改善的变刚度复合材料。所述复合材料包括树脂基体材料与增强纤维材料形成的复合材料，并且在制造过程中，按本发明方法优化或最优的纤维轨迹铺放纤维丝束，从而制得高性能复合材料。

适用于本发明的树脂或树脂基体没有特别限制。在本发明中，可使用各种类型树脂，其中包括但并不限于：不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合；或其他热塑性树脂。

适用于本发明的增强纤维没有特别限制。在本发明中，可使用各种类型的纤维进行增强，其中包括但并不限于：玻璃纤维开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、连续玻璃纤维束、玻璃纤维布、玻璃纤维毡、石棉毡、石棉织物(布)和石棉纸以及高硅氧纤维、碳纤维、有机纤维(如芳纶纤维、尼龙纤维等)和天然纤维(如亚麻布、棉布、煮炼布、不煮炼布等)等。采用两种或两种以上纤维混杂料作增强材料。

轨迹优化的纤维丝束

在本发明的复合材料或预制件中，除了使用普通铺放的增强纤维之外，还额外按照轨迹优化铺放纤维丝束，从而进一步提高复合材料或制件的性能。

在本发明中，“轨迹优化的纤维丝束”指铺放轨迹优化的，较佳地，通过本发明方法进行优化的，用于强化复合材料的纤维丝束，其特点是纤维(丝束)方向与主应力方向的偏差很小或最小。

可用于本发明的轨迹优化的纤维丝束没有特别限制，可使用各种类型和材质的纤维丝束。代表性的纤维丝束包括但并不限于：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维中的一种或几种，或者是热塑性树脂纤维和玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维中的一种或几种组成的混杂纤维。

所述的热塑性树脂纤维包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮以及类似聚合物纤维中的一种。

用于本发明的纤维丝束可用常规方法制备，或可通过市售途径购得。例如，可使用市售的各自不同类型纤维，包括各种不同公称直径(如2-50微米)和线密度(如600-10000tex)的纤维丝束，例如SC11-2400W玻璃纤维丝束(其纤维公称直径为11μm，线密度为2400tex)。

在本发明中，轨迹优化的纤维丝束占全部纤维材料的比例没有特别限制，因为只要存在轨迹优化的纤维丝束，就有助于提高性能。通常，轨迹优化的纤维丝束占全部纤维材料的比例为0.01-100wt%，较佳地为0.1-100wt%，更佳地为1-90wt%。

一种优选的铺放轨迹优化的纤维丝束的方式是：通过缝合线或粘合剂将所述的纤维丝束固定于在普通铺放的增强纤维(也可称为“底材”)。代表性的底材包括(但并不限于)：无纺布、表面毡、筛绢等。

当采用不同的增强纤维时，所制得的制件的性能会有所差异。例如采用天然纤维作为增强纤维时，拉伸强度一般较低；采用合成纤维时，拉伸强度一般较高；采用碳纤维时，拉伸强度一般很高(通常可达到600-800MPa或更高)。然而，由于本发明对纤维轨迹进行了优化，因此，相较于使用相同的增强纤维的未优化轨迹制件，本发明的制件的拉伸强度等性能可显著提高。通常，以拉伸强度为例，提高幅度至少≥15%，较佳地≥25%或更高。

成型工艺

所述的复合材料成型工艺包括但不限于：复合材料液体模塑成型、热压罐成型、模压成型。

当纤维丝束是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维中的一种或几种时，可采用液体模塑成型等方法进行成型，代表性的工艺包括(但并不限于)树脂传递模塑(RTM)工艺等。在RTM工艺中，通常先在一个闭式的模具内预置纤维增强预型件,再用一定压力将树脂注入模具内,使之浸透纤维增强预型件,然后固化形成本发明的变刚度纤维复合材料制件。

当纤维丝束是热塑性树脂纤维和玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维中的一种或几种组成的混杂纤维时，则可直接进行热压(罐)成型、模压成型技术对预制件进行成型，从而制得本发明的变刚度纤维复合材料制件。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)提供了一种变刚度纤维复合材料的纤维轨迹优化设计方法，该方法可生成高效稳定、可制造、设计自由度大的纤维曲线铺放轨迹，同时提高纤维排布的规则化和连续化并实现高效计算，简化制造工艺，最大优化变刚度复合材料层合板整体力学性能；

(2)提供了一种变刚度纤维复合材料的制备方法，所述变刚度纤维复合材料结构性能高，结构轻量化，制造成本低下，几乎无纤维原材料的浪费，且可以制备热固性纤维复合材料和热塑性纤维复合材料，具有广阔的工业化应用前景。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。

方法和仪器

拉伸性能测试：拉伸测试在INSTRON 5985万能试验机上室温下进行，测试速度为2mm/min。

实施例1：

以一玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板的制备为例。本实施例中，层合板的结构和所受拉伸载荷方向如图1所示，一端施加拉伸载荷F，一端固定，开孔部位孔直径Φ为20mm；纤维预成型体的纤维轨迹采用非线性加权最小二乘法进行优化，采用SC11-2400W玻璃纤维丝束制备。

步骤一：首先采用有限元软件Ansys等对复合材料层合板在实际工况下的受力情况进行静力分析，得到制件各结点的主应力大小及方向分布，如图2所示。从主应力分布图发现单向拉伸载荷下复合材料层合板第一主应力方向在开孔处周边存在关于X对称的某一影响区域，该区域内类似于一个周期的余弦曲线族(其中一根类余弦曲线如图2粗黑线所示)，其幅度从下到上逐渐减小。在该影响区域外，第一主应力方向近似为0°。

步骤二：根据主应力集中区域和主应力方向对制件性能的影响程度，对开孔复合材料层合板的纤维轨迹设计了分段式曲线族方程，在影响区域内其方程为余弦函数，在影响区域外其方程为线性函数。该分段函数在X轴上半部分方程为：

$y=f(x,t,V)=\left\{\begin{array}{c}\left(\frac{r+v_{1}t}{2}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{v_{2}r}x\right)+\frac{r+t}{2},x\∈[-|\frac{v_{2}r}{3}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∩y\∈[0,-\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1})]\text{;}\\ y_i,x\∉[-|\frac{v_{2}r}{2}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∪y\∉[0,-\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1})]\end{array}\right.$

其中，r为开孔复合材料层合板的半径，t为曲线族系数，v＝[v₁,v₂]，v₁、v₂为与纤维取向相关的优化设计参数。

由于图2所示开孔复合材料层合板在单向拉伸载荷下第一主应力方向关于X轴对称，因此，纤维轨迹分段函数在X轴下半部分曲线族方程为：

$y=-f(x,t,V)=\left\{\begin{array}{c}-\left(\frac{r+v_{1}t}{2}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{v_{2}r}x\right)-\frac{r+t}{2},x\∈[-|\frac{v_{2}r}{3}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∩y\∈[\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1}),0]\text{;}\\ y_i,x\∉[-|\frac{v_{2}r}{2}|,|\frac{v_{2}r}{2}\left|\right]\∪y\∉[\frac{r}{2}(1-\frac{1}{v_1}),0]\end{array}\right.$

步骤三：以纤维(纤维丝束)方向与主应力方向的最小偏差为优化目标，以第一主应力大小作为权数，在主应力大的区域，权数也大，在主应力小的区域权数也较小，采用非线性加权最小二乘法对层合板纤维轨迹进行优化，得到优化参数的局部最优值V=[-0.28,12.90]，进而得到层合板的最优纤维轨迹，如图3所示；

步骤四：根据步骤三得到的最优的纤维轨迹，铺放SC11-2400W玻璃纤维丝束同时采用缝合线或粘合剂将所述SC11-2400W玻璃纤维丝束固定于底材，制备成单层纤维预成型体；

步骤五：采用树脂传递模塑成型工艺(复合材料液体模塑成型工艺的一种)和EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)，将步骤四制得的纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

实施例2

本实施例是在实施例1基础上的进一步减重优化。根据图2应力分析图可以看出孔周边受压应力，对层合板的拉伸强度贡献不大，因此在实施例的优化轨迹基础上，可以将孔周边部分纤维轨迹去掉，得到图5所示的纤维轨迹。具体方法包括如下步骤：

步骤一、删减实施例的孔周边部分受压应力的纤维轨迹，得到进一步优化的纤维轨迹，如图5所示；

步骤二：根据步骤1的纤维轨迹，采用缝合线或粘合剂固定SC11-2400W玻璃纤维丝束制备单层纤维预成型体；

步骤三：采用树脂传递模塑成型工艺(复合材料液体模塑成型工艺的一种)和EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)，将步骤二制得的纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

对比实施例1

本对比实施例是实施例1的对比实施例1。其中，玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板尺寸与实施例1中完全相同，所不同的是本对比实施例的层合板纤维预成型体的纤维轨迹直接采用直线型轨迹，未经任何优化。具体方法包括如下步骤：

步骤一、层合板纤维预成型体的纤维轨迹采用直线型轨迹，如图4所示；

步骤二：根据步骤1的纤维轨迹，采用缝合线或粘合剂固定SC11-2400W玻璃纤维丝束制备单层纤维预成型体；

步骤三：采用树脂传递模塑成型工艺(复合材料液体模塑成型工艺的一种)和EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)，将步骤二制得的纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

对比实施例2

本对比实施例是实施例1的对比实施例2。其中，玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板平面尺寸与实施例1中完全相同，所不同的是本实施例的层合板纤维预成型体直接采用4层玻璃纤维平纹布制备。具体方法包括如下步骤：

步骤一、将玻璃纤维平纹布裁剪成如图1所示的形状，制备成4层纤维预成型体；

步骤二：采用树脂传递模塑成型工艺(复合材料液体模塑成型工艺的一种)和EP312环氧树脂体系(EP312-A环氧树脂和EP312-B固化剂的质量比为2:1)，将步骤一制得的纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板拉伸强度见表1。

实验结果

表1玻璃纤维/环氧树脂复合材料开孔层合板的单轴向拉伸强度

复合材料层合板	拉伸强度(MPa)	纤维浪费量
			实施例1	431.7	无
实施例2	482.6	无
			对比实施例1	331.2	无
对比实施例2	192.4	大

由表1可知：对通过上述实施例与对比实施例1和对比实施例2三种方式制备复合材料开孔层合板，对所制得的复合材料层合板分别沿图1所示的单轴向拉伸载荷方向进行拉伸测试，拉伸强度测试结果表明，采用本发明的方法制得的复合材料开孔层合板，其拉伸强度显著提高，比直线型轨迹的复合材料层合板的拉伸强度提高了30.3%，比采用传统纤维织物制得的复合材料层合板的拉伸强度提高了124.4%。

采用上述实施例1-2与对比实施例2三种制备方法对纤维浪费量进行测试，结果如表1所示，表明采用本发明方法在制备复合材料开孔层合板时几乎无纤维的浪费，而传统织物裁剪成所需的纤维预成型体时会产生边角废料，当制件面积大、批量化生产等采用本发明方法制备构件的纤维预成型体时纤维的节约量尤其明显，特别是对于价格较昂贵的碳纤维，经济效益显著。

此外，不仅实施例1中的层合板比对比实施例2的层合板的性能高出30.3%，而且实施例2的纤维用量进一步减少且拉伸强度最高(比实施例1的层合板拉伸强度提高11.8%)，这对进一步提高构件的结构性能和减重具有重要的意义。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种变刚度纤维复合材料制件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)对复合材料制件在实际工况下的受力情况进行静力分析，得到制件各结点的主应力大小及方向分布的数据(或情况)，从而确定主应力集中区域和主应力方向；

2)根据主应力集中区域大小和主应力方向对制件性能的影响程度，将制件分成多个小区域，针对每个小区域的主应力分布特征，设计与优化参数关联的曲线族函数，所述曲线族函数用于描述纤维的轨迹；

3)采用非线性加权最小二乘法，根据制件的主应力分布情况，对纤维轨迹进行优化，从而得到制件的优化纤维轨迹；

4)按照优化纤维轨迹，采用纤维丝束制备纤维预成型体；和

5)通过复合材料成型工艺，将所述的纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的优化参数选自下组：纤维方向角、铺层厚度、纤维铺放密度，或其组合。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维复合材料是由树脂基体材料与增强纤维材料形成的复合材料，更佳地，所述的纤维复合材料是变刚度纤维复合材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纤维丝束包括：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维，或其组合；或者所述的纤维丝束是热塑性树脂纤维和选自下组的一种或几种纤维所组成的混杂纤维：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的热塑性树脂纤维为热塑性聚合树脂或热塑性缩合树脂纤维，较佳地为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的树脂基体为热塑性树脂；较佳地，所述的树脂基体选自下组：不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的复合材料成型工艺包括复合材料液体模塑成型、热压罐成型、模压成型，或其组合。

8.一种用于制备变刚度纤维复合材料制件的纤维预成型体，其特征在于，所述的纤维预成型体包括通过缝合线或粘合剂固定的纤维丝束，且所述的纤维丝束所构成形状与纤维复合材料制件的形状相对应或相同，并且所述纤维丝束是按照优化纤维轨迹进行排列或分布的。

9.如权利要求8所述的纤维预成型体，其特征在于，所述的纤维预成型体具有开孔，或纤维预成型体具有需要加强的区域。

10.一种变刚度纤维复合材料制件，其特征在于，所述的制件用纤维复合材料制成，并且所述的复合材料是由树脂基体材料与纤维材料形成的复合材料，其中所述纤维材料包括按照优化纤维轨迹进行排列或分布的纤维丝束。

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