CN106113521A - 贝壳仿生复合材料增韧结构及其设计方法和自动化制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种贝壳仿生复合材料增韧结构及其设计方法和自动化制造工艺。利用自动铺丝设备，仿照贝壳微观结构特征，使用非连续纤维以逐层铺叠方式制备复合材料层合板。以这种方式设计并制造出来的复合材料构件表现出了一定韧性，充分利用了复合材料可设计性强的特点，最终设计出一种当达到破坏强度时，逐级破坏的结构形式，可以极大的简化复合材料构件使用中的监控过程，降低成本，为复合材料结构设计提供新的设计思路，具有极大的促进意义。

Description

贝壳仿生复合材料增韧结构及其设计方法和自动化制造工艺
技术领域
本发明涉及复合材料设计制造领域，具体涉及一仿生非连续纤维复合材料层合板结构的设计及制备。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料与金属材料相比，具有高比强、高比刚度、耐腐蚀、强度可设计、结构稳定性好以及便于大面积整体成型等优点，在航空航天领域得到了广泛的应用，成为飞机、导弹、火箭、人造卫星、舰船、兵工武器等结构上不可或缺的战略材料。随着纤维增强树脂基复合材料的大量应用，复合材料构件的失效也逐渐增多，且可能造成灾难性事故。这主要是由于当复合材料受到低能量冲击或载荷时，构件内部产生基体裂纹和分层等损伤，这类损伤往往表面破坏很小，不易直观检测。在后续的使用中，内部损伤会继续扩大从而造成复合材料构件的突然失效。因此在很多情况下，复合材料的韧性会作为优先于强度的考量标准。
单向纤维增强复合材料层合板的拉伸过程中，应力-应变曲线基本保持线性，这就说明单向纤维增强复合材料层合板拉伸失效前主要为弹性变形，无明显的塑性变形，属脆性材料。
目前为了提高纤维增强树脂基复合材料韧性所采取的方法是在树脂基体中添加如橡胶颗粒这样的韧性材料。这些方法会导致复合材料制造成本增大，质量增大，同时对于现阶段比较成熟的自动铺放技术来说，会造成制造工序的改变。
发明内容
针对现有复合材料构件破坏裂纹生长难以预测，检测不直观的问题，在不改变原有制造工序的前提下，本发明提供一种贝壳仿生复合材料增韧结构及其设计方法和自动化制造工艺。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种贝壳仿生复合材料增韧结构，包括层叠设置的多层单向非连续纤维铺层，每层铺层中包括并行排列的多束非连续纤维，单束非连续纤维是由多个同种纤维材料的纤维段按照首尾相接的方式串接而成的线型结构，相邻铺层的非连续纤维按束对齐，并且相对齐的两束非连续纤维中纤维段的串接位置不重合，形成沿非连续纤维延伸方向排列的双层纤维搭接结构，双层纤维搭接结构的拉伸韧性沿铺层层叠方向自外向内或自内向外梯度变化。
所述铺层的纤维材料选自脆性纤维(如玻璃纤维、碳纤维等中)的一种或多种。
所述梯度变化是指阶梯式增大或减小，或者是指连续增大或减小。
一种贝壳仿生复合材料增韧结构的设计方法，包括以下步骤：
1)计算不同纤维搭接长度下最大强度和变形量
构建双层纤维搭接结构拉伸仿真简化模型，分别对该模型的上下两层纤维和中间的粘接材料层赋予实际的属性值；然后变换不同的纤维搭接长度并分别进行拉伸仿真计算，得出不同纤维搭接长度下的应力应变曲线，所述拉伸仿真计算中设定位移载荷的方向与纤维延伸方向一致；
2)仿生梯度复合材料增韧结构整体结构设计
根据不同纤维搭接长度下的仿真计算结果进行工艺参数调整，确定工艺参数的原则为：保证复合材料增韧结构在过载情况下发生梯度破坏；所述工艺参数包括纤维种类以及纤维搭接长度。
所述上下两层纤维与粘接材料层均为二维模型，其中上下两层纤维使用壳单元进行网格划分，粘接材料层使用cohesive单元进行网格划分；所述属性值为弹性模量、泊松比和断裂韧性。
所述确定工艺参数的原则具体为在过载情况下复合材料增韧结构由外层向内层梯度断裂或者从内层向外层梯度断裂，同时必须保证满足一定的设计强度要求(最大应力值即为最大强度值)。
一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺，包括以下步骤：利用自动纤维铺放设备，仿照贝壳微观结构特征，使用非连续纤维逐层铺叠方式制备复合材料增韧结构。
所述自动化制造工艺具体包括以下步骤：
1)生产加工轨迹
根据最终确定的复合材料增韧结构的结构形式，生成加工过程中自动纤维铺放设备所需要的加工轨迹，同时输出自动纤维铺放设备加工过程中所需要的动作控制代码，保证纤维局部剪断后能够连续送出；
2)复合材料增韧结构整体成型
根据得到的加工轨迹与动作控制代码，利用自动纤维铺放设备逐层堆叠成型；
3)复合材料增韧结构固化
堆叠成型后进行固化，最终制成复合材料增韧结构。
所述自动纤维铺放设备具有在机剪切与重送的功能，从而能够实现纤维剪断后连续的送出。
当选用预浸带形式的纤维材料时，采用热压罐工艺进行固化；当选用干纤维时，固化工艺为RTM或RFI。
所述复合材料增韧结构包括层叠设置的多层单向非连续纤维铺层，每层铺层中包括并行排列的多束非连续纤维，单束非连续纤维是由多个同种纤维材料的纤维段按照首尾相接的方式串接而成的线型结构，相邻铺层的非连续纤维按束对齐，并且相对齐的两束非连续纤维中纤维段的串接位置不重合，形成沿非连续纤维延伸方向排列的双层纤维搭接结构，双层纤维搭接结构的拉伸韧性沿铺层层叠方向自外向内或自内向外梯度变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明通过模仿贝壳的不连续堆叠结构，将其应用到复合材料结构设计中，充分发挥复合材料的可设计性，在不添加其它材料的情况下，利用不同的搭接长度使复合材料表现出韧性特性。同时，本发明利用自动铺丝技术中的自动剪切与重送功能，实现了上述复合材料结构的制备。制备方法简单易行，不必额外增加复合材料构件的质量，同时不必改变原有的成型工艺工序。本发明加工效率高，用途广泛，可以广泛应用于汽车、船体、飞行器等领域，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为双层纤维拉伸仿真模型(有限元模型)，其中，1-1为上层纤维，1-2为下层纤维，1-3为中间的树脂层，F为拉伸载荷。
图2为不同搭接长度下应力应变曲线，其中曲线A对应搭接长度为10mm情况，曲线B对应搭接长度为15mm情况。
图3为自动铺丝设备铺放工序流程图。
图4为本发明制造工艺示意图，其中，4-1为铺丝头压辊，4-2为纤维，4-3为芯模。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明旨在结合自动铺丝设备制造工艺过程，在不添加其它材料的前提下，使复合材料拉伸过程中产生一定韧性表现。同时设计一种层合板结构，在发生破坏时可以实现梯度破坏。
实施例1
本实施例采用热固性碳纤维预浸带材料，结合自动铺丝工艺，设计并制造一种内部铺层韧性优于外部铺层韧性的两级梯度树脂基复合材料层合板。具体方法为：
1)不同纤维搭接长度下，最大强度和变形量的计算。纤维搭接结构简化模型参见图1，该模型有上层纤维1-1、中间的树脂层1-3和下层纤维1-2组成。纤维铺层厚度为0.125mm，先假设纤维的搭接长度为10mm，在仿真软件中构建上述简化模型，纤维方向为拉伸方向，纤维方向的弹性模量E1为233.130Gpa，泊松比v1为0.2，垂直纤维方向的弹性模量E2为2.311Gpa，泊松比v2为0.2，树脂选用牌号为TF1408的环氧树脂，其弹性模量E为2.85Gpa，泊松比v为0.37，断裂韧性GⅡC为0.79。根据上述材料参数对模型赋值并划分网格(上下两层纤维使用壳单元进行网格划分，粘接材料层使用cohesive单元进行网格划分)。然后将上层纤维1-1、中间的树脂层1-3和下层纤维1-2粘贴在一起，同时，将模型中上层纤维1-1左端固定右端自由。对下层纤维1-2设置为左端自由，在右端施加位移载荷。最后经过仿真计算得出在搭接长度为10mm时的应力应变曲线。改变搭接长度为15mm，重复上述步骤求出应力应变曲线(图2)。
2)仿生梯度复合材料层合板整体结构设计。通过上述仿真结果可以得出，当搭接长度为10mm时，其最大应力为1000Mpa，应变为1.4％；当搭接长度为15mm时，其最大应力为1000Mpa，应变为1.2％。依据由外层向内层梯度断裂的设计原则，选择10mm搭接长度的铺层作为内铺层，选择15mm搭接长度的铺层为外铺层。当层合板总厚度为2mm时，总铺层厚度为16层，依据1:1的铺层比例，分配铺层为先铺放15mm搭接4层，再铺放10mm搭接8层，最后再铺放15mm搭接4层。
3)生产加工轨迹。将建立的铺层顺序信息导入自动铺丝路径规划软件，同时标定需要间断的位置信息。导出铺丝运动轨迹点，生成与之配套的加工轨迹文件，其中包括铺丝头剪切、加持、重送等动作指令信息，参见图3。
4)仿生梯度复合材料层合板整体成型。参见图4，将上述得到的加工轨迹文件导入到自动铺丝设备，进行加工，自动铺丝设备可以独立的控制多束丝束将其同时铺放到芯模4-3表面，按照指令信息，对每束丝分别进行剪切和重送，并通过铺丝头压辊4-1将纤维4-2压实到芯模4-3上，进而实现连续铺放成型，得到碳纤维预成型体。
5)仿生梯度复合材料层合板固化。将上述加工完成的碳纤维预成型体放入真空热压罐中，首先升温到80℃保温30分钟，然后升温到130℃保温2个小时，其升温时间为3分钟，最后随炉冷却至室温完成固化加工。
固化完成后，采用美国ASTM 3039D聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法，将所设计复合材料层合板制成标准样件尺寸，样件宽度为15mm、总长度为250mm、加强片长度为56mm、厚度为1.5mm。在拉伸试验机进行拉伸试验，拉伸过程中的拉伸位移速率为1mm/min。在试件的破坏过程中，表现出韧性断裂性能，成功实现外层先失效内层后失效的破坏效果。
实施例2
改变实施例1中步骤2)的铺层顺序，选择10mm搭接长度的铺层作为外铺层，选择15mm搭接长度的铺层为内铺层，即可设计制造一种外部铺层韧性优于内部铺层韧性的两级梯度树脂基复合材料层合板，发生破坏时，内部先破坏，外部后破坏。
总之，本发明仿照贝壳微观结构特征，结合自动铺丝设备加工过程中，可以独立控制每束丝束加持、剪切和重送的特点，设计并制造了一种贝壳仿生复合材料增韧结构(以复合材料层合板为例)。与传统成型方法相比，使复合材料构件表现出了一定韧性，充分利用了复合材料可设计性强的特点。当达到破坏强度时，复合材料构件逐级破坏，极大的简化复合材料构件使用中的监控过程(例如自外向内逐级破坏)，为复合材料结构设计提供新的设计思路，具有极大的促进意义。

Claims (10)

1.一种贝壳仿生复合材料增韧结构，其特征在于：包括层叠设置的多层单向非连续纤维铺层，每层铺层中包括并行排列的多束非连续纤维，单束非连续纤维是由多个同种纤维材料的纤维段按照首尾相接的方式串接而成的线型结构，相邻铺层的非连续纤维按束对齐，并且相对齐的两束非连续纤维中纤维段的串接位置不重合，形成沿非连续纤维延伸方向排列的双层纤维搭接结构，双层纤维搭接结构的拉伸韧性沿铺层层叠方向自外向内或自内向外梯度变化。
2.根据权利要求1所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构，其特征在于：所述铺层的纤维材料选自脆性纤维的一种或多种。
3.根据权利要求1所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构，其特征在于：所述梯度变化是指阶梯式增大或减小，或者是指连续增大或减小。
4.一种贝壳仿生复合材料增韧结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)计算不同纤维搭接长度下最大强度和变形量
构建双层纤维搭接结构拉伸仿真简化模型，分别对该模型的上下两层纤维和中间的粘接材料层赋予实际的属性值；然后变换不同的纤维搭接长度并分别进行拉伸仿真计算，得出不同纤维搭接长度下的应力应变曲线，所述拉伸仿真计算中设定位移载荷的方向与纤维延伸方向一致；
2)仿生梯度复合材料增韧结构整体结构设计
根据不同纤维搭接长度下的仿真计算结果进行工艺参数调整，确定工艺参数的原则为：保证复合材料增韧结构在过载情况下发生梯度破坏；所述工艺参数包括纤维种类以及纤维搭接长度。
5.根据权利要求4所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的设计方法，其特征在于：所述上下两层纤维与粘接材料层均为二维模型，其中上下两层纤维使用壳单元进行网格划分，粘接材料层使用cohesive单元进行网格划分；所述属性值为弹性模量、泊松比和断裂韧性。
6.根据权利要求4所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的设计方法，其特征在于：所述确定工艺参数的原则具体为在过载情况下复合材料增韧结构由外层向内层梯度断裂或者从内层向外层梯度断裂，同时必须保证满足一定的设计强度要求。
7.一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：利用自动纤维铺放设备，仿照贝壳微观结构特征，使用非连续纤维逐层铺叠方式制备复合材料增韧结构。
8.根据权利要求7所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺，其特征在于：所述自动化制造工艺具体包括以下步骤：
1)生产加工轨迹
根据最终确定的复合材料增韧结构的结构形式，生成加工过程中自动纤维铺放设备所需要的加工轨迹，同时输出自动纤维铺放设备加工过程中所需要的动作控制代码，保证纤维局部剪断后能够连续送出；
2)复合材料增韧结构整体成型
根据得到的加工轨迹与动作控制代码，利用自动纤维铺放设备逐层堆叠成型；
3)复合材料增韧结构固化
堆叠成型后进行固化，最终制成复合材料增韧结构。
9.根据权利要求7所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺，其特征在于：所述自动纤维铺放设备具有在机剪切与重送的功能，从而能够实现纤维剪断后连续的送出；当选用预浸带材料时，采用热压罐工艺进行固化；当选用干纤维时，固化工艺为RTM或RFI。
10.根据权利要求7所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺，其特征在于：所述复合材料增韧结构包括层叠设置的多层单向非连续纤维铺层，每层铺层中包括并行排列的多束非连续纤维，单束非连续纤维是由多个同种纤维材料的纤维段按照首尾相接的方式串接而成的线型结构，相邻铺层的非连续纤维按束对齐，并且相对齐的两束非连续纤维中纤维段的串接位置不重合，形成沿非连续纤维延伸方向排列的双层纤维搭接结构，双层纤维搭接结构的拉伸韧性沿铺层层叠方向自外向内或自内向外梯度变化。
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