CN111037950A - 一种曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用，涉及复合材料加工成型技术领域。本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法包括以下步骤：获取曲面芯模的形貌信息；根据形貌信息，在曲面芯模上均匀构建铺放角度参考线；计算铺放角度参考线的长度；设定预浸纤维束与铺放角度参考线的交角为纤维束入角，基于铺放角度参考线的长度改变纤维束入角，使得预浸纤维束覆盖在相邻两条铺放角度参考线上的长度与纤维束入角的余弦成反比。本发明相对于现有技术，能使连续纤维更好地适应曲面变化，在复杂曲面上实现纤维的连续性，更有利于发挥纤维的拉伸强度，从而提高制件性能，尤其适用于航空、汽车等领域的复杂外形复合材料零部件的制造。

Description

一种曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用

技术领域

本发明涉及复合材料加工成型技术领域，尤其涉及一种曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用。

背景技术

纤维复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。相比于传统的材料，纤维复合材料具有如下优点：(1)比强度和比刚度较高；(2)力学性能可以设计，即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求；(3)抗疲劳性能良好；(4)减振性能良好；(5)通常都能耐高温；(6)安全性好。纤维复合材料因其优异的力学性能和可设计性已经被广泛应用于航空航天、汽车、风电、船舶等领域。

纤维铺放是将数根预浸纤维束按照设计要求所确定的铺层路径和方向，在压辊下集成为一条预浸带后铺放在芯模表面。现有技术中，采用纤维复合材料成型复杂外形零件时，由于复合材料的几何限制容易使纤维在曲面上分布不均，导致制件厚度不均匀；而且不可避免地在净边界内对纤维进行横向的剪断，铺层内纤维的横向剪断破坏了铺层连续性，难以实现连续纤维的满覆性铺放，进而降低制件性能。

因此，有必要提出一种曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用，用以克服现有技术中的复合材料成型时存在的剪断纤维、难以实现连续纤维的满覆性铺放，从而降低制件性能的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种曲面成型的连续等厚度铺层方法，包括以下步骤：

获取曲面芯模的形貌信息；

根据所述形貌信息，在所述曲面芯模上均匀构建铺放角度参考线；

计算所述铺放角度参考线的长度；

设定预浸纤维束与所述铺放角度参考线的交角为纤维束入角，基于所述铺放角度参考线的长度改变所述纤维束入角，使得所述预浸纤维束覆盖在相邻两条所述铺放角度参考线上的长度与所述纤维束入角的余弦成反比。

进一步地，所述曲面芯模为类回转体，所述铺放角度参考线垂直于所述曲面芯模的回转轴。

进一步地，所述曲面芯模为自由曲面，所述铺放角度参考线垂直于所述曲面芯模的铺放参考曲线。

进一步地，所述预浸纤维束在长度方向上具有相同的宽度。

进一步地，所述预浸纤维束覆盖在相邻两条所述铺放角度参考线上的长度与所述铺放角度参考线的长度成正比。

进一步地，所述预浸纤维束为连续长纤维。

进一步地，所述预浸纤维束采用自动铺缝或自动铺丝的方法铺设于所述曲面芯模上。

进一步地，所述预浸纤维束采用手工铺丝的方法铺设于所述曲面芯模上。

本发明还提供一种成型件，所述成型件采用上述的曲面成型的连续等厚度铺层方法铺设成型。

本发明还提供一种上述的成型件在航空、汽车领域的应用。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用，在曲面芯模的曲面上构建铺放角度参考线，并基于铺放角度参考线的长度，改变预浸纤维束与铺放角度参考线的交角，使预浸纤维束覆盖在相邻两条铺放角度参考线上的长度与纤维束入角的余弦成反比，以使预浸纤维束适应曲面变化和铺放宽度的变化，可在复杂曲面上实现纤维束的等厚度和连续性铺放。而且，由于纤维束的等厚度和连续性铺放，更有利于发挥纤维的拉伸强度，从而提高了制件性能，本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法，尤其适用于航空、汽车等领域的复杂外形复合材料零部件的制造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法的流程示意图；

图2是本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法中改变纤维束入角的原理示意图；

图3是本发明实施例的椭球体曲面上构建铺放角度参考线的示意图；

图4是本发明实施例的椭球体曲面上形成的连续等厚度铺层的示意图；

图5是本发明另一实施例的球体曲面上构建铺放角度参考线的示意图；

图6是本发明另一实施例的球体曲面上形成的连续等厚度铺层的示意图；

其中，图中附图标记对应为：01-预浸纤维束、02-曲面芯模、021、022、023、024......-铺放角度参考线、03-纤维束轨迹、p₁、p₂-预浸纤维束与铺放角度参考线的交点、α₁、α₂-纤维束入角、s_n-预浸纤维束覆盖在铺放角度参考线上的长度、d-预浸纤维束的宽度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本实施例中，提供了一种曲面成型的连续等厚度铺层的方法，参阅图1，包括以下步骤：

获取曲面芯模的形貌信息；根据形貌信息，在曲面芯模上均匀构建铺放角度参考线；计算铺放角度参考线的长度；设定预浸纤维束与铺放角度参考线的交角为纤维束入角，基于铺放角度参考线的长度改变纤维束入角，使得预浸纤维束覆盖在相邻两条铺放角度参考线上的长度与纤维束入角的余弦成反比。

本实施例的曲面成型的连续等厚度铺层方法，通过在曲面芯模的曲面上构建铺放角度参考线，并基于铺放角度参考线的长度，改变预浸纤维束与铺放角度参考线的交角，使纤维束适应曲面变化和铺放宽度的变化，可在复杂曲面上实现纤维的等厚度连续性铺放。而且，由于纤维的等厚度连续性铺放，更有利于发挥纤维的拉伸强度，从而提高了制件性能，本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法，尤其适用于航空、汽车等领域的复杂外形复合材料零部件的制造。

作为一种具体的实施方式，预浸纤维束中01在长度方向上具有相同的宽度，预浸纤维束01覆盖在相邻两条铺放角度参考线上的长度与该相邻两条铺放角度参考线的长度成正比。

作为一种具体的实施方式，预浸纤维束01为连续长纤维。

本实施例中，参阅图2-3，曲面芯模02为椭球体，在椭球体曲面上均匀构建铺放角度参考线021、022、023和024等，p1、p2为预浸纤维束01与铺放角度参考线的交点，预浸纤维束01与铺放角度参考线的夹角为纤维束入角α_n，其中n的取值为大于等于1的整数，预浸纤维束01的宽度为d，预浸纤维束01覆盖在铺放角度参考线n上的长度为s_n，预浸纤维束01与铺放角度参考线021的夹角为α₁，预浸纤维束01覆盖在铺放角度参考线021上的长度为s₁；预浸纤维束01与铺放角度参考线022的夹角为α₂，预浸纤维束01覆盖在铺放角度参考线022上的长度为s₂。由于曲面02的曲率变化，s₁、s₂与参考线021、参考线022的长度成正比。随着预浸纤维束01依次经过参考线023、参考线024、…，s_n的值随曲面02的曲率变化而变化。现有技术中是根据s_n的变化改变预浸纤维束01的宽度，以实现曲面02的满覆性铺放，但增加或减少预浸纤维束01的宽度会造成预浸纤维束01的不连续，给设计分析带来不便，且降低制件性能。

本实施例中，基于上述问题的改进措施为：根据曲面微分几何，随着铺放角度参考线02n的长度变化，通过改变预浸纤维束01与铺放角度参考线02n的交角，从而改变等宽预浸纤维束01的覆盖能力。由于s_n＝d/cosα_n，s_n+1＝d/cosα_n+1，则s_n/s_n+1＝cosα_n+1/cosα_n。因此，按照上述方法改变纤维束入角α_n，避免剪切纤维，如图4所示，实现等宽的预浸纤维束均匀连续地覆盖变宽度的铺放区域，采用该铺层方法，更有利于发挥纤维的拉伸强度，进而提高制件性能。

作为一种具体的实施方式，曲面芯模02为类回转体，铺放角度参考线垂直于曲面芯模02的回转轴。继续参阅图2-3，在椭球体曲面上构建铺放角度参考线021、022、023、024......，计算铺放角度参考线021、022、023、024.....的长度，宽度为d的预浸纤维束01与参考线021的夹角为α₁，覆盖在铺放角度参考线021上的截距为s₁；预浸纤维束01与铺放角度参考线022的夹角为α₂，覆盖在铺放角度参考线022上的截距为s₂。由于曲面芯模02的曲率变化，预浸纤维束01在铺放角度参考线021、铺放角度参考线022上的截距与铺放角度参考线021、铺放角度参考线022的长度成正比。随着预浸纤维束01依次经过铺放角度参考线023、铺放角度参考线024、…、铺放角度参考线02n，s_n的值一直随曲面芯模02的曲率变化而变化。进一步的，选取铺放起始点，根据曲面微分几何，随着参考线02n的长度变化，通过改变预浸纤维束01与铺设角度参考线02n的交角，从而改变等宽预浸纤维束01的覆盖能力，根据公式cosα_n+1/cosα_n＝s_n/s_n+1改变预浸纤维束01与铺放角度参考线02n的交角，得到纤维束轨迹03。依次计算下一条纤维轨迹03，实现预浸纤维束01在曲面芯模02上的满覆性和连续性铺放，椭球体曲面上形成的连续等厚度铺层见图4。

在另一个具体的实施方式中，参阅图5，在球形曲面上构建-45°的参考线021、022、023、024…，计算铺放角度参考线021、022、023、024.....的长度，选取铺放起始点，根据公式cosα_n+1/cosα_n＝s_n/s_n+1，依次计算预浸纤维束01与铺设角度参考线021、022、023、…的交点，连接各交点得到-45°铺层的纤维束轨迹03。进一步的，依次计算下一条纤维束轨迹03，实现预浸纤维束01在曲面芯模02上的满覆性和连续性铺放，球体曲面上形成的连续等厚度铺层见图6。

作为一种具体的实施方式，曲面芯模02为自由曲面，铺放角度参考线垂直于曲面芯模02的铺放参考曲线，其中铺放参考曲线经计算机程序计算得到。

作为一种具体的实施方式，预浸纤维束01采用自动铺缝或自动铺丝的方法铺设于曲面芯模02上，得到连续、等厚度的铺层。

作为一种可选的实施方式，预浸纤维束01采用手工铺丝的方法铺设于曲面芯模02上，得到连续、等厚度的铺层。

采用本实施例中的方法在曲面上形成连续等厚度的铺层后，经固化成型后，即可得到成型件，由于铺层等厚度且连续，有利于发挥连续纤维的性能，使得成型件具有优良的力学性能。

本发明的另一实施例提供了一种成型件，该成型件采用上述实施例中的曲面成型的连续等厚度铺层方法铺设成型，成型固化后能够得到更高力学性能的制件。采用曲面成型的连续等厚度铺层方法成型，可以根据构件的外形选取铺放角度参考线，基于铺放角度参考线的长度，进行铺放角度的求取和铺层设计，实现纤维束在曲面上等厚度和连续性的铺放，更契合构件力学性能要求，对于构件的性能提升和减重具有重要意义。

本发明的另一实施例提供了一种上述实施例中的成型件在航空、汽车领域的应用。例如，上述实施例中的在椭球体曲面成型的方法，可应用于如汽车、飞船的液氢贮罐等，上述实施例中的球形曲面成型的方法，可应用于球形蒙皮，进一步应用于飞机的后压力框。

本发明的上述实施例，具有如下有益效果：

本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法及成型件和应用，在曲面芯模的曲面上构建铺放角度参考线，并基于铺放角度参考线的长度，改变预浸纤维束与铺放角度参考线的交角，使预浸纤维束覆盖在相邻两条铺放角度参考线上的长度与纤维束入角的余弦成反比，以使预浸纤维束适应曲面变化和铺放宽度的变化，可在复杂曲面上实现纤维束的等厚度和连续性铺放。而且，由于纤维束的等厚度和连续性铺放，更有利于发挥纤维的拉伸强度，从而提高了制件性能，本发明的曲面成型的连续等厚度铺层方法，尤其适用于航空、汽车等领域的复杂外形复合材料零部件的制造。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取曲面芯模的形貌信息；

根据所述形貌信息，在所述曲面芯模上均匀构建铺放角度参考线；

计算所述铺放角度参考线的长度；

设定预浸纤维束与所述铺放角度参考线的交角为纤维束入角，基于所述铺放角度参考线的长度改变所述纤维束入角，使得所述预浸纤维束覆盖在相邻两条所述铺放角度参考线上的长度与所述纤维束入角的余弦成反比。

2.根据权利要求1所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，所述曲面芯模为类回转体，所述铺放角度参考线垂直于所述曲面芯模的回转轴。

3.根据权利要求1所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，所述曲面芯模为自由曲面，所述铺放角度参考线垂直于所述曲面芯模的铺放参考曲线。

4.根据权利要求1所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，所述预浸纤维束在长度方向上具有相同的宽度。

5.根据权利要求4所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，所述预浸纤维束覆盖在相邻两条所述铺放角度参考线上的长度与所述铺放角度参考线的长度成正比。

6.根据权利要求4所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，所述预浸纤维束为连续长纤维。

7.根据权利要求1所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，所述预浸纤维束采用自动铺缝或自动铺丝的方法铺设于所述曲面芯模上。

8.根据权利要求1所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法，其特征在于，所述预浸纤维束采用手工铺丝的方法铺设于所述曲面芯模上。

9.一种成型件，其特征在于，采用权利要求1～8中任一项所述的曲面成型的连续等厚度铺层方法铺设成型。

10.一种如权利要求9所述的成型件在航空、汽车领域的应用。

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