CN110962364B - 一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料铺层设计方法领域，具体涉及一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法。该方法是基于螳螂虾的鳌棒抗冲击纤维结构与功能启示，通过线性递增铺层角度θ_i，按照

铺层堆叠成对称螺旋状层合板。该铺层设计方法一方面可有效的弱化纤维增强层状复合材料固有的各向异性，另一方面通过不同纤维取向的相互耦合与协同作用，提升层状复合材料层间性能。理论分析结果表明：本发明的仿生螺旋铺层设计方法可有效提升层状复合材料的层间剪切强度。

Description

一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法

技术领域

本发明属于复合材料铺层设计方法领域，具体涉及一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法。

背景技术

随着复合材料在各个领域的广泛应用，对其性能提出了更高的要求。复合材料层压板的制备属于增材制造范畴，因此，复合材料层压板的铺层设计是提高性能的主要途径之一。目前，提升层压板层间剪切性能的方式主要有缝合、三维编织和植入Z-pin等，但这些技术都会带来层状面内性能的降低的影响，同时也增加了制备工艺可操作性的难度。

随着现代仿生学的快速发展，仿生学与其他学科相互渗透与影响已成为主流。目前，仿生科学与材料科学相结合，设计出大量新型复合材料，已成为现代科研工作研究发展的重要组成部分。螳螂虾凭借其非常耐受冲击的鳌棒备受关注。鳌棒的冲击部位主要是由矿化甲壳素纤维经螺旋状排列所组成的周期区起作用，其耗散冲击能量保证材料韧性。通过引入螺旋铺层可减弱层状复合材料层间剪切应力，提高层压板的断裂韧性和抗冲击性，减弱由脆性断裂引起的灾难性破坏程度。因此，这种仿生复合材料螺旋铺层设计方法一方面弱化制备工艺的操作难度且不引入复合材料面内性能的降低，一方面在层状复合材料承载时起到剪切应力重新分布的作用，提升层状复合材料的层间性能。这对碳纤维复合材料在航空航天等工程领域的发展具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的提升层压板层间性能的技术的复杂问题，提供一种从铺层设计出发的简易方法来提高层压板的层间剪切性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，其包括以下步骤：

S1：确定层压板总铺层数N；

S2：根据确定的总铺层数N，从0度铺层开始每层递增螺旋角度θ_i，将层状复合材料按照

的铺层顺序叠合成对称的层压板；

S3：对于每个待选的线性递增旋转角θ_i，采用基于梁理论和经典层合板理论的分析方法，针对该线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板，预测其在横力弯曲下的理论层间剪切应力，其中第k层层状复合材料的层间剪切应力值τ_xz ^(k)计算公式为：

式中，k表示层状复合材料的层数，离层压板的对称中间面最近的一层为第一层，最远的为

层；z_j和z_j-1分别为第j层层状复合材料的下表面和上表面与对称中间面的距离，P为对层压板施加的横向载荷，b为层合梁的宽度，

为第j层层状复合材料的偏轴刚度矩阵系数， D₁₁为层合梁弯曲刚度矩阵系数；

S4：确定每个线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板中的正则化层间剪切应力峰值

选择使

最小的线性递增旋转角θ_i为层压板的最优螺旋角度θ，层压板中的铺层顺序为

作为优选，对于任意线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板，层合梁在受到横力弯曲载荷时层间剪切应力沿厚度方向上的分布近似抛物线，正则化层间剪切应力峰值位于层压板中间：

作为优选，线性递增旋转角θ_i应当满足

作为优选，所述的层状复合材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料。

作为优选，所述的层压板总铺层数N基于复合材料层压板结构力学特性和复合材料层压板最终制品的性能确定。

本发明还可以提供一种仿生复合材料铺层方法，其做法是按照上述设计方法得到最优螺旋角度和铺层顺序后，按照铺层顺序

逐层叠合形成可承载最大的载荷，层间剪切性能最佳的层压板。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：

本发明提供一种仿生复合材料铺层设计方法，该方法是基于螳螂虾的鳌棒抗冲击纤维结构与功能启示，通过线性递增铺层角度θ_i，按照

铺层逐步弱化层合板固有的各向异性。该螺旋铺层设计方法一方面可降低层状复合材料在受到横向弯曲载荷时层间剪切应力，提高层压板的承载力阈值；另一方面可克服制备工艺操作复杂的限制以及制备过程附加的面内性能损伤。理论分析结果表明：本发明的螺旋铺层设计方法可提供最优螺旋角θ_i，实现层状复合材料的最优层间剪切强度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚的了解本发明的技术手段，并可以依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明提供的一种仿生复合材料螺旋铺层的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的层合梁受力分析图；

图3为本发明可获取的正则化层间剪切应力峰值

与旋转角的曲线图；

具体实施方式

本发明提供一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，包括以下步骤：

(1)基于复合材料层压板结构力学特性和复合材料层压板最终制品的性能，初步确定总层数为N。

按照本发明，所述的按照复合材料层压板结构力学特性和复合材料层压板最终制品的性能，初步确定总层数和螺旋角度的方法没有特殊限制，是根据本领域公知的方法，本领域技术人员按照复合材料层压板结构力学特性和复合材料层压板最终特性初步确定的。

(2)根据确定的总铺层数N，从0度铺层开始每层递增螺旋角度θ_i，将层状复合材料按照

铺层顺序叠合成对称层压板，下标s表示对称铺层。递增螺旋角度θ_i可以设置多个待选值，用于后续优化，其应当满足

(3)对于每个待选的线性递增旋转角θ_i，需要采用基于梁理论和经典层合板理论的分析方法，对该线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板在横力弯曲下的理论层间剪切应力进行预测。本发明采用的梁理论和经典层合板理论为本领域熟知的方法，不再赘述，其中第k层层状复合材料的层间剪切应力值τ_xz ^(k)计算公式为：

式中，k表示层状复合材料的层数，离层压板的对称中间面最近的一层为第一层，最远的为

层；z_j为第j层层状复合材料的下表面与对称中间面的距离，z_j-1为第j层层状复合材料的上表面与对称中间面的距离(其中对称中间面上方的第1层层状复合材料的下表面与对称中间面的距离为0，对称中间面下方的第1层层状复合材料的上表面与对称中间面的距离也为0)，P为对层压板施加的横向载荷，b为层合梁的宽度，

为第j层层状复合材料的偏轴刚度矩阵系数，D₁₁为层合梁弯曲刚度矩阵系数。

根据式Ⅰ可以计算出按照任一线性递增旋转角θ_i叠合的层压板中各层状复合材料的层间剪切应力值。

(4)根据上一步计算得到的层压板中的层间剪切应力值分布情况，可以发现对于任意线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板，层合梁在受到横力弯曲载荷时层间剪切应力沿厚度方向上的分布近似抛物线，正则化层间剪切应力峰值

位于层压板中间(即对称中间面附近)。当

值最小时，层间剪切性能最佳。由此，可以确定每个线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板中的正则化层间剪切应力峰值

即取k＝1的应力值：

选择使

最小的线性递增旋转角θ_i为层压板的最优螺旋角度θ，按照该最优螺旋角度以及第(2)步中的铺层方式，即可设计总铺层数N的层压板中的铺层顺序为

按照本发明，仿生复合材料层压板螺旋铺层设计方法不局限于总铺层数和厚度统一设计，可根据实际需要选取合适的总铺层数和厚度。

按照本发明，所述的复合材料层压板没有特殊限制，优选为碳纤维复合材料或者玻璃纤维复合材料。

下面将结合具体实施例子对本发明做进一步详细的说明，以单向碳纤维预浸料制备对称螺旋铺层层状复合材料为例说明本发明。

实施例：

一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，该方法的步骤如下：

(1)复合材料层压板结构力学特性和复合材料层压板最终制品的性能，初步确定总铺层数为32层，单层厚度为0.125mm；

(2)满足最大铺层角度

且θ_i为整数，按照

铺层顺序叠合成对称层压板。请结合图1所示，图1是本发明实施例提供的一种仿生复合材料螺旋铺层的结构示意图；

(3)基于梁理论和经典层合板理论，对层状复合材料进行图2所示的受力情况进行理论分析，分析时在层压板的对称中间面设置原点O，建立x-y-z坐标系。

1.

铺层存在13种情况，即θ_i有13个待选值，分别为θ_i＝0,1,2……12。旋转角度θ_i在该范围下，应用式Ⅰ可获得正则化层间剪切应力峰值

与旋转角的关系，如图3所示。

2.从图3可看出层间最大剪切应力先随旋转角的增大而减小直至最小值，再随旋转角递增而增大，所以层压板的最优螺旋角度θ＝9°，即对应于层间剪切应力峰值最小时，[0/9/18……135]_s是最优铺层顺序。按照该顺序进行铺层，堆叠成对称螺旋状层合板。该铺层设计方法一方面可有效的弱化纤维增强层状复合材料固有的各向异性，另一方面通过不同纤维取向的相互耦合与协同作用，有效提升层状复合材料的层间剪切强度，可承载最大载荷。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

1、本发明实施例是基于生物体内部纤维排布结构所具有的轻质高强的特性，将仿生的设计理念融入传统的层状复合材料的设计中。针对现有工程技术中对于材料轻质高强的要求进行纤维种类、铺层设计的优选，提供一种可设计优异的层状复合材料层间性能的方法；

2、本发明实施例解决了目前提高层状复合材料层状性能的技术的复杂操作性，本发明在提升性能的基础上不造成层状复合材料面内性能的降低。所述的仿生螺旋铺层设计方法可为层状复合材料的设计和制造提供建设性建议。

Claims (4)

1.一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定层压板总铺层数N；

S2：根据确定的总铺层数N，从0度铺层开始每层递增螺旋角度θ_i，将层状复合材料按照

的铺层顺序叠合成对称的层压板；

S3：对于每个待选的线性递增旋转角θ_i，采用基于梁理论和经典层合板理论的分析方法，针对该线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板，预测其在横力弯曲下的理论层间剪切应力，其中第k层层状复合材料的层间剪切应力值τ_xz ^(k)计算公式为：

式中，k表示层状复合材料的层数，离层压板的对称中间面最近的一层为第一层，最远的为

层；z_j和z_j-1分别为第j层层状复合材料的下表面和上表面与对称中间面的距离，P为对层压板施加的横向载荷，b为层合梁的宽度，

为第j层层状复合材料的偏轴刚度矩阵系数，D₁₁为层合梁弯曲刚度矩阵系数；

S4：确定每个线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板中的正则化层间剪切应力峰值

选择使

最小的线性递增旋转角θ_i为层压板的最优螺旋角度θ，层压板中的铺层顺序为

对于任意线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板，层合梁在受到横力弯曲载荷时层间剪切应力沿厚度方向上的分布近似抛物线，正则化层间剪切应力峰值位于层压板中间：

2.根据权利要求1所述的一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，其特征在于，线性递增旋转角θ_i应当满足

3.根据权利要求1所述的一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，其特征在于，所述的层状复合材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，其特征在于，所述的层压板总铺层数N基于复合材料层压板结构力学特性和复合材料层压板最终制品的性能确定。

Images