CN109514754B - 一种连续纤维的变刚度复合材料铺层 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维的变刚度复合材料铺层。它是由复数根连续的变角度纤维束顺序编织而成，单根纤维束经两次拐折形成Z字形结构，第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度相同，第二直线段(2)的角度不同于第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度，使得同一铺层存在两个弹性模量，实现复合材料层压板结构的面内刚度的改变；相邻直线段之间夹角取值为：20‑150度。本发明解决了现有分段式纤维由于纤维在面内不连续，两段纤维相交处存在叠层，导致复合材料层板不平整的问题，能简单方便的实现复合材料层压板结构的面内刚度改变，能有效的提高层压板结构的轴压稳定性，且加工生产简单。

Description

一种连续纤维的变刚度复合材料铺层
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维的变刚度复合材料铺层。
背景技术
目前国内外大量使用的复合材料铺层均为直纤维制造的单向带或者织物，由直纤维铺层设计和生产的复合材料层压板结构均是面内等刚度结构。
专利ZL201120515591.8(具有高抗屈曲能力的纤维织物)提出了一种正弦曲线或余弦曲线形式的变刚度纤维，这种纤维是连续变角度的纤维，但是制作这种纤维是需要保证纤维保持正弦或余弦曲线，加工难度很大，同时，经过优化分析发现，实际结构设计中往往不需要纤维呈现复杂的正弦曲线或余弦曲线形式。
专利ZL201520434180.4(一种复合材料纤维条、复合材料铺层及复合材料)提出了一种采用直纤维来实现变刚度的复合材料纤维条，虽然加工简单，但是纤维在面内不连续，且在两段纤维相交处存在叠层，导致复合材料层板的平整度很难保证。
发明内容
发明目的：提出一种连续纤维的变刚度复合材料铺层以解决不连续纤维在面内存在相交处叠层，导致复合材料铺层不平整度的问题。
技术方案：一种连续纤维的变刚度复合材料铺层，是由复数根连续的变角度纤维束顺序编织而成，单根纤维束经两次拐折形成Z字形结构，
第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度相同，第二直线段(2)的角度不同于第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度，使得同一铺层存在两个弹性模量，实现复合材料层压板结构的面内刚度的改变；相邻直线段之间夹角取值为：20-150度。
进一步的，纤维拐折半径R设定方法如下：
纤维拐折半径R:
Figure BDA0001890684180000021
其中：D—纤维束直径，单位mm；
E—纤维束弹性模量，单位MPa；
k—应力比值；
[σ]—纤维束许用应力，取拉伸许用应力和压缩许用应力的较小值，单位MPa。
设计者根据可接受的弯曲应力选取应力比值k，根据纤维束的许用应力[σ]、弹性模量E和纤维束直径D，选取最小的弯曲半径Rmin，只要实际的拐折半径R≥Rmin即可。
进一步的，第一段纤维(1)、第二段纤维(2)、第三段纤维(3)在同一平面内。
进一步的，单根纤维束由多根纤维丝编织而成。
有益技术效果:本发明解决了现有分段式纤维由于纤维在面内不连续，两段纤维相交处存在叠层，导致复合材料层板不平整的问题，能简单方便的实现复合材料层压板结构的面内刚度改变，能有效的提高层压板结构的轴压稳定性，且加工生产简单，从而达到减轻结构重量，提高产品性能和降低制造成本的目的，具有广阔的应用前景和价值。
附图说明
图1是一种连续纤维的变刚度复合材料铺层示意图；
图2是弹性模量随宽度的变化曲线；
其中：1-第一段纤维，2-第二段纤维，3-第三段纤维，4-支持边或加强筋，l-纤维拐折点圆心到4的距离，b-层压板结构的宽度，R-纤维拐折半径。
具体实施方式
一种连续纤维的变刚度复合材料铺层，由复数根连续的变角度纤维束顺序编织而成，单根纤维束经两次拐折形成Z字形结构，
第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度相同，第二直线段(2)的角度不同于第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度，使得同一铺层存在两个弹性模量，实现复合材料层压板结构的面内刚度的改变；纤维束第一直线段与第二直线段之间的夹角以及第二直线段与第三直线段之间的夹角均设置为：20-150度。
在上述结构的基础上，纤维拐折半径R设定方法如下：
纤维拐折半径R:
Figure BDA0001890684180000031
其中：D—纤维束直径，单位mm；
E—纤维束弹性模量，单位MPa；
k—应力比值；
[σ]—纤维束许用应力，取拉伸许用应力和压缩许用应力的较小值，单位MPa。
设计者根据可接受的弯曲应力选取应力比值k，根据纤维束的许用应力[σ]、弹性模量E和纤维束直径D，选取最小的弯曲半径Rmin，只要实际的拐折半径R≥Rmin即可。
进一步的，第一段纤维(1)、第二段纤维(2)、第三段纤维(3)在同一平面内。
进一步的，单根纤维束由多根纤维丝编织而成。
某一四边简支平板的长为890mm，宽为300mm，承受90KN的压缩载荷。直纤维复合材料预浸料的材料性能为E11＝117GPa，E22＝17GPa，G12＝4.6GPa，v12＝0.3，t＝0.25mm。若采用直纤维单向带按照铺层顺序[θ/-θ]8s铺叠而成，其最佳铺设角度为40.0°，其失稳因子为0.777。若采用本发明的连续纤维的变刚度复合材料铺层，按照铺层顺序[θ/-θ]8s铺叠而成，R取为1.0mm，其最佳参数为θ1＝9.35°，θ2＝51.74°，l＝37.5mm，其失稳因子为1.317，在不增加结构重量的前提下，该层压板的轴压失稳载荷提高了69.5％。由连续纤维的变刚度复合材料铺层铺叠而成的层压板的面内弹性模量随宽度的变化见下附图2。

Claims (3)

1.一种连续纤维的变刚度复合材料铺层，是由复数根连续的变角度纤维束顺序编织而成，单根纤维束经两次拐折形成Z字形结构，第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度相同，第二直线段(2)的角度不同于第一直线段(1)和第三直线段(3)的角度，使得同一铺层存在两个弹性模量，实现复合材料层压板结构的面内刚度的改变；相邻直线段之间夹角取值为：20-150度；
所述纤维拐折的拐折半径R，其设定方法如下：
Figure FDA0002640222510000011
其中：D-纤维束直径，单位mm；
E-纤维束弹性模量，单位MPa；
k-应力比值；
[σ]-纤维束许用应力，取拉伸许用应力和压缩许用应力的较小值，单位MPa；
设计时，根据可接受的弯曲应力选取应力比值k，根据纤维束的许用应力[σ]、弹性模量E和纤维束直径D，选取最小的弯曲半径Rmin，只要实际的拐折半径R≥Rmin即可。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维的变刚度复合材料铺层，其特征在于：第一段纤维(1)、第二段纤维(2)、第三段纤维(3)在同一平面内。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维的变刚度复合材料铺层，其特征在于：单根纤维束由复数根纤维丝编织而成。
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