CN112182923B - 含孔复合材料结构件整体化成形方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于含孔的热塑性复合材料结构件整体化成形的方法，包括：对孔构件损伤机理的研究；根据孔构件的应力分布与损伤演化规律建立孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型，根据该模型确定孔边关键区域，并对关键区域内的纤维走向进行优化，根据优化结果得到的纤维铺放路径在孔边缘附近的关键区域内环绕孔进行变角度铺放，得到底孔，固化后再对其进行精加工得到满足精度要求的孔。该方法能够有效减少热塑性复合材料孔零件的纤维断裂，优化内力分布，提高孔零件的力学性能。

Description

含孔复合材料结构件整体化成形方法
技术领域
本公开涉及复合材料铺放成形领域，具体涉及一种含孔的热塑性复合材料结构件整体化成形的方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有比强度、比刚度高、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等优点，因而广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域。根据基体树脂的差异，复合材料可以分为热固性复合材料和热塑性复合材料。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有成形工艺简单、易回收、可焊接以及制造成本低等优点。
传统的机械加工方法是目前复合材料零件上的孔加工的主要手段，但由于复合材料的性质与金属不同，在复合材料的加工中无法直接沿用金属材料的工艺。碳纤维增强热塑性复合材料具有层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大等特点，是典型的难加工材料。
由于传统机械加工对于复合材料的损伤较大，越来越多的特种加工方式被应用在了复合材料加工上，主要包括电火花加工、激光加工、磨料水射流加工以及超声辅助加工。高速电火花穿孔加工方法，能有效解决传统切削加工时的粉尘，但其放电中心的瞬时温度高达10000℃，不可避免的会产生热影响区，高温易引起入口和出口处的毛刺、翻边以及孔内壁的分层损伤。激光加工过程无刀具磨损，加工灵活性高，但在大去除量的加工中容易产生较严重的表面烧伤。由于纤维具有毛细现象，并且一些使用途径的纤维增强复合材料结构件的加工过程必须进行干切削，因而磨料水射流加工的应用也被局限。超声振动辅助切削加工，通过机械切削作用、高频冲击作用以及超声空化作用对材料进行去除，改善了切削工况，但实际应用中尚不够成熟，长期稳定性有待验证。
综上所述，无论是传统的机械加工还是新型的特种加工都是采用先铺放再制孔的方式，导致在二次加工的过程中给复合材料结构带来损伤和缺陷，使零件在使用过程中破坏的风险增加。
发明内容
本公开提供一种含孔复合材料结构件整体化成形方法，尽可能减少对复合材料进行二次加工时带来的纤维断裂与分层损伤，同时优化孔构件整体化成形的铺放路径。
本公开的至少一个实施例提供一种含孔复合材料结构件整体化成形方法，包括：根据结构件的应力分布与损伤演化规律建立孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型，根据该模型确定孔边关键区域，并对关键区域内的纤维走向进行优化，根据优化结果得到的纤维铺放路径在孔边缘附近的关键区域内环绕孔进行变角度铺放。
在一些示例中，结构件的应力分布与损伤演化规律分析方法包括：
根据孔零件的结构特征，初始采用一定纤维走向、铺层顺序、单层厚度，建立三维有限元模型，根据实际工况施加载荷/边界约束，通过静力学分析确定结构件应力分布及最大应力和应变出现的位置；利用失效准则判断纤维和基体发生失效的单元，获得损伤扩展与破坏形貌演化规律；
建立温度-力学参数本构模型，根据该本构模型计算结构件的固化变形与残余热应力，同时得到其对结构强度与损伤失效的影响。
在一些示例中，在环绕孔进行变角度铺放过程中先得到底孔，固化后再采用电火花加工、激光加工、磨料水射流加工、超声辅助加工中的一种或多种加工方法对其进行加工得到满足精度要求的孔。
在一些示例中，纤维铺放路径确定方法包括：
在关键区域内绕孔边选取若干控制点，将控制点处的主应力方向作为该点的初始化切线方向，以该点最大主应力与全局最大主应力的比值作为控制点处的切矢长，进而得到当前铺层的局部参考路径曲线，之后将当前铺层的局部参考路径曲线绕孔轴线旋转一定角度投影到其他铺层并作为该铺层的局部参考路径，完成其他铺层角度的初始化；
以关键区域内的局部参考路径为基础，沿当前铺层方向向关键区域外进行定角度延伸，得到完整的参考路径，将参考路径离散成路径点序列，之后对离散点进行密化，得到铺层其他路径上的离散点，并将各条路径上的离散点进行插值得到连续的全局铺放路径。
与现有技术相比，本公开的有益之处在于：1.本发明中孔的成型方法为整体化成形，可减少二次加工过程中给复合材料结构带来损伤和缺陷，如纤维断裂与分层损伤，使零件在使用过程中被破坏的风险减小，提高了零件的性能；2.纤维连续变角度铺放可有效提高孔边局部强度，然而纤维的弯曲会又对整体稳定性产生负面影响，本发明中通过建立孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型与对铺层进行优化，实现二者之间的平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本公开一实施例提供的开孔层合板主应力轨迹示意图。
图2是本公开一实施例提供的参考路径密化示意图。
具体实施方式
公开了一种用于含孔的热塑性复合材料结构件整体化成形的方法，包括对孔构件损伤机理的研究方法与指导孔构件整体化成形的铺放路径规划与优化完整流程。该方法能够有效减少热塑性复合材料孔零件的纤维断裂，优化内力分布，提高孔零件的力学性能。下文将对该方法进行详细描述。
步骤一：选取典型孔零件的结构特征，初始采用一定纤维走向、铺层顺序、单层厚度，建立Cohesive三维有限元模型，根据实际工况施加载荷/边界约束，通过静力学分析确定结构件应力分布及最大应力和应变出现的位置；利用Hashin失效准则判断纤维和基体发生失效的单元，获得损伤扩展与破坏形貌演化规律。
步骤二：引入温度场变量，建立温度-力学参数本构模型(参见丁安心,李书欣,倪爱清等.热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述[J].复合材料学报,2017,34(03):471-485，5.1.4节)，得到本构模型后导入ANSYS或ABAQUS软件计算结构件的固化变形与残余热应力，同时得到其对结构强度与损伤失效的影响。
步骤三：根据步骤一、步骤二对应力分布、损伤演变过程的分析结果，建立孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型，并根据该模型划定孔边关键区域以减小优化问题规模，综合优化准则法、直接搜索法、分级优化法等多种优化方法对关键区域内的纤维走向进行优化，实现孔边局部强度与结构整体稳定性的平衡。
步骤四：根据优化结果得到的纤维铺放路径，在孔边缘附近的关键区域内环绕孔进行变角度铺放，得到底孔，固化后再采用电火花加工、激光加工、磨料水射流加工以及超声辅助加工等方法对其进行精加工得到满足精度要求的孔。
下文将对纤维铺放路径确定方法进行详细描述。图1所示，首先初始化优化变量。根据建立的孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型确定孔边关键区域和控制点的初始化位置。过控制点进行插值，初始化曲线参数得到局部的初始化参考路径曲线，并以当前铺层为0°铺层。以Hermite曲线为例，假设其端点与切矢坐标为:
P0＝(x0,y0),P1＝(x1,y1),P′0＝(x'0,y'0),P′1＝(x′1,y′1)
其中P0，P1为曲线端点向量，P′0，P′1为曲线在点P0，P1的切线向量，(x0,y0)，(x1,y1)，(x′0,y′0)，(x′1,y′1)分别为对应向量的坐标。
其直角坐标系下表达式为：
x＝(2u3-3u2+1)x0+(-2u3+3u2)x1+(u3-2u2+u)x′0+(u3-u2)x′1
y＝(2u3-3u2+1)y0+(-2u3+3u2)y1+(u3-2u2+u)y'0+(u3-u2)y′1,u∈[0,1]
其中(2u3-3u2+1)、(-2u3+3u2)、(u3-2u2+u)、(u3-u2)均为调和函数。
为便于优化，可将控制点位置固定，通过改变控制点处切矢的方向与模长得到不同走向的参考路径。拟绕孔边选取若干控制点，依照优化准则法中的主应力共线法将控制点处的主应力方向作为该点的初始化切线方向，对最大主应力进行归一化，即以该点最大主应力与全局最大主应力的比值作为控制点处的切矢长。之后，将得到的局部参考路径曲线绕孔轴线旋转一定角度(如可按0°、90°、±45°的顺序)投影到其他铺层并作为该铺层的局部参考路径，完成其他铺层角度的初始化。
然后参照图2，基于预浸料的剪切变形机制进行纤维路径密化。以关键区域内的局部参考路径为基础，沿当前铺层方向向关键区域外进行定角度延伸，得到完整的参考路径。将参考路径离散(如等距离散)成路径点序列，之后采用平行法对离散点进行密化，得到铺层其他路径上的离散点。在此阶段，着重考虑预浸料的剪切变形，结合曲面几何信息与微分几何理论推导路径离散点的平移距离与方向，并将各条路径上的离散点进行插值得到连续的全局铺放路径。针对孔周边参考路径与孔边缘围出的三角区，采用定角度路径将其填充完整。

Claims (3)

1.一种含孔复合材料结构件整体化成形方法，其特征在于，包括：根据结构件的应力分布与损伤演化规律建立孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型，根据该模型确定孔边关键区域，并对关键区域内的纤维走向进行优化，根据优化结果得到的纤维铺放路径在孔边缘附近的关键区域内环绕孔进行变角度铺放，
纤维铺放路径确定方法包括：
在关键区域内绕孔边选取若干控制点，将控制点处的主应力方向作为该点的初始化切线方向，以该点最大主应力与全局最大主应力的比值作为控制点处的切矢长，进而得到当前铺层的局部参考路径曲线，之后将当前铺层的局部参考路径曲线绕孔轴线旋转一定角度投影到其他铺层并作为该铺层的局部参考路径，完成其他铺层角度的初始化；
以关键区域内的局部参考路径为基础，沿当前铺层方向向关键区域外进行定角度延伸，得到完整的参考路径，将参考路径离散成路径点序列，之后对离散点进行密化，得到铺层其他路径上的离散点，并将各条路径上的离散点进行插值得到连续的全局铺放路径。
2.根据权利要求1所述的含孔复合材料结构件整体化成形方法，其特征在于，结构件的应力分布与损伤演化规律分析方法包括：
根据孔零件的结构特征，初始采用一定纤维走向、铺层顺序、单层厚度，建立三维有限元模型，根据实际工况施加载荷/边界约束，通过静力学分析确定结构件应力分布及最大应力和应变出现的位置；利用失效准则判断纤维和基体发生失效的单元，获得损伤扩展与破坏形貌演化规律；
建立温度-力学参数本构模型，根据该本构模型计算结构件的固化变形与残余热应力，同时得到其对结构强度与损伤失效的影响。
3.根据权利要求1所述的含孔复合材料结构件整体化成形方法，其特征在于，在环绕孔进行变角度铺放过程中先得到底孔，固化后再采用电火花加工、激光加工、磨料水射流加工、超声辅助加工中的一种或多种加工方法对其进行加工得到满足精度要求的孔。
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