CN113165280A - 纤维复合材料部件的设计和有效制造方法 - Google Patents

Abstract

一种设计纤维复合材料部件的方法，其可以在部件性能和制造效率之间进行权衡，从而为所需使用案例提供“优化”的设计。在一些实施例中，该方法包括生成理想纤维图，其中，整个预期部件中的纤维的朝向与整个部件中的预期载荷条件一致，然后通过各种制造约束来修改理想纤维图，以生成工艺补偿的预制件图。

Description

纤维复合材料部件的设计和有效制造方法

相关申请

本发明要求2018年10月26日申请的，申请号为62/751,040的美国专利申请的优先权，在此通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及纤维复合材料和由其制成的部件，并且，更具体地，涉及设计和有效制造此种部件的方法。

背景技术

在设计由正交各向异性材料，例如纤维增强聚合物(FRP)制成的部件时，需要优化部件中的纤维路径。也就是说，对于给定的部件几何形状，当部件中的纤维在预期的荷载条件下与整个部件各处的主应力方向一致时，FRP部件将表现出最佳的机械性能。这是因为FRP材料在纤维方向上的性能是最理想的。

在制造过程中，利用现有方法优化纤维的布置通常是不可能且不实际的。具体地，通常用于制造此类部件的带条或织物内的纤维被固定在一个(带条)或两个(织物)方向上，所以任何的这种定向“优化”仅限于将带条/织物的连续层偏移标准偏移量，例如+/-30°或45°的增量等。

但是，即便可以如上所述真正地优化纤维布局，纤维的放置和对齐也会花费大量时间。对于FRP部件的大规模生产，制造效率是一个重要的考虑因素。因此，对纤维进行定向优化即便是可能的，但是，至少利用任何现有技术来实现是不切实际的。

发明内容

本发明提供了一种设计和制造FRP部件的方法，本方法可在部件性能和制造效率之间进行权衡，从而为所需的使用案例提供“优化”设计。

根据本教导的一些实施例包括：(1)生成理想纤维图，其中，整个预期部件内的纤维朝向与整个部件的预期荷载条件一致；以及(2)根据需要，应用各种制造约束来修改理想纤维图，以产生“工艺补偿的预制件图”。

理想纤维图可能指定了包括弯曲路径等的纤维方向和路径。但是，当在大多数现有的制造工艺中使用带条或织物时，不可能在整个模具中再现这种弯曲的纤维路径。本发明人公开了用于制造纤维复合材料部件的方法，在本方法中使用“预制件”或预制件组合(“预制件装料”)，而不是带条或织物。预制件是树脂浸渍的纤维束，其具有与模具相适配的尺寸和形状，并增加了之前没有的功能，沿预期部件的预期应力方向对齐。通过对丝束预浸料给料段进行上胶、(可选)弯曲和切割来制造预制件。

相对于带条或织物，预制件大大提高了与荷载条件相一致的能力。但是，即使在使用预制件的情况下，生成平滑的弯曲以精确地跟随部件内的应力等值线也将花费大量时间，另外，如果没有精密的设备可能也无法实现。利用一个或两个离散/锐利角度形成的弯曲来代替这种平滑的弯曲(例如，比较图11A和图11B)，这增加了可制造性，并减少了制造时间。此外，根据部件的几何形状，可能需要许多不同的弯曲半径以精确地与理想纤维图相符合。因而，通过减少独特弯曲半径的数量来减少工艺差异，也可提高生产率。

因此，应用与预制件的制造和/或制造工艺(在示例性实施例中为压缩成型)相关的某些约束，其包含了上述问题以及其他制造“现实”，可提高制造效率。因此，在需要的时候，对理想纤维图进行改变，以生成工艺补偿的预制件图，以用具有指定尺寸、形状和朝向的预制件来代替理想纤维图中的理想纤维方向。预制件的朝向和形状可能会偏离预测的应力等值线，从而偏离最佳的纤维路径。越偏离理想纤维路径，部件性能(例如机械强度等)受到的影响越大。

使用本文描述的方法，制造商可以权衡/平衡部件性能和制造效率。在某些情况下，一个部件只需要“足够好”；也就是说，该部件只需要满足最小强度条件。在这种情况下，“优化”设计可能是根据主要的制造约束得到满足荷载条件的最有效(最快)的制造过程的设计。换句话说，部件性能刚好满足要求，而没有比要求更好。在某些其他情况下，例如制造较小体积的部件，加权可能会有所不同，因为可能会更多地关注部件性能的最佳可能，而较少关注制造效率。

例如，通过绘制部件性能与一个或多个制造约束之间的关系图，可以提供一系列潜在可接受的部件设计。然后，可以根据性能与效率的相对权重从该范围内选择一种设计。

可以理解的是，需提供处理系统(例如，计算机、存储器、I/O)来执行本文所述方法的至少部分步骤。这是部件几何形状的结果。尤其是，复杂的部件将产生复杂的应力等值线，因此，无法实际推导出理想的以及工艺补偿的纤维图的分析方案。因此，需要由适当编程的处理器提供这种图的数值解。

根据本教导，充分描述所要制造部件的几何形状及其预期的荷载条件的输入被提供给处理系统。处理系统对部件的几何形状进行有限元分析(FEA)以计算荷载下的应力，从而得到三维的主应力等值线图，该图遍历组件的整个内部。然后，处理系统通过考虑现有的正交各向异性材料的性能，根据主应力等值线图计算得到理想预制件图，例如通过使用确定“低成本”路线的技术。

如果对部件没有制造效率方面的考虑(例如，少量生产的部件等)，则处理系统将理想纤维图输出给用户或将结果以其他方式存储。如果有制造效率方面的考虑，处理系统向用户提示制造部件的制造约束，例如与预制件相关的约束，以及与制造工艺，例如压缩成型相关的约束。

将上述约束应用于理想纤维图。在一些实施例中，通过应用这些约束，可将图中的纤维路径从对于大批量制造不可行、更接近理想情况的状态(形状等)改变为需要较少处理操作的状态，从而可在满足部件性能要求的同时，减少生产所需纤维束或预制件的时间。基于本方法的应用，通过改变各约束的权重，可得到以牺牲部件性能为代价而实现最大化制造效率的设计，或者得到以牺牲部件生产效率为代价而实现最大化部件性能的设计，或者得到介于这两种极端情况之间的任意情况的设计。从这个意义上讲，本发明的实施例能够取得最佳部件性能和最佳制造效率之间的“平衡”，特别适合于特定的应用。也就是说，本文所述方法能够实现纤维复合材料部件的“优化”设计。

在一些实施例中，本发明提供了一种用于设计纤维复合材料部件的方法，包括：

定义部件的几何形状以及施加到部件上的力；

基于几何形状和所述力，确定部件的应力等值线；

根据应力等值线生成理想纤维图，其中，理想纤维图中纤维的方向与部件的所述应力等值线对齐；

定义适用于制造部件的多个约束；以及

通过约束修改理想纤维图，生成第一工艺补偿的预制件图，其中，第一工艺补偿的预制件图用于提供制造部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量。

在一些实施例中，本发明提供了一种用于设计纤维复合材料部件的方法，包括：

定义部件的几何形状以及施加到部件上的力；

基于几何形状和所述力，确定部件的应力等值线；

根据应力等值线生成理想纤维图，其中，理想纤维图中纤维的方向与部件的所述应力等值线对齐；以及

根据理想纤维图，确定制造部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量，以符合定义的几何形状和所述力。

在一些实施例中，本发明提供了一种用于设计纤维复合材料部件的方法，包括：

通过将一个或多个制造约束应用于纤维复合材料部件内的、基于荷载条件的理想纤维路径，来生成工艺补偿的预制件图，其中，第一工艺补偿的预制件图提供了制造纤维复合材料部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量。

本发明的其他实施例包括在以上公开的实施例和下面详细描述中给出的特征的任意其他非冲突组合。

在示例性实施例中，根据本教导的方法应用于申请人自己提出的复合材料的制造过程。但是，本方法也可以应用于纤维布置可控且重要的其他复合材料制造过程。根据本公开，本领域技术人员知道如何将本教导应用于这些其他复合材料的制造方法中。

附图说明

图1描绘了用于实现根据本教导的方法的系统。

图2描绘了根据本发明的方法的一个实施例。

图3描绘了用于执行图2所示方法中步骤S201的方法。

图4描绘了用于执行图2所示方法中步骤S202的方法。

图5描绘了用于执行图2所示方法中步骤S201的方法的进一步细节。

图6描绘了与实施图2所示方法结合使用的凹模。

图7描绘了由图7所示凹模制成的部件。

图8描绘了力施加到图7所示部件的方式，作为部件中生成应力等值线的基础。

图9描绘了在特定的荷载条件下，图8所示部件的各个主应力方向的理想纤维矢量。

图10描绘了基于图9所示理想纤维矢量的理想纤维图。

图11A描绘了与弯曲理想纤维路径一致的预制件。

图11B描绘了一种预制件，其相较于图11A所示预制件，具有更适于制造的形状。

图12描绘了在图10所示理想纤维图基础上，经由制造约束修改后得到的工艺补偿的预制件图。

图13A描绘了使用两个直的预制件来生成模具中使用的“十字”结构。

图13B描绘了使用四个弯曲的预制件来生成模具中使用的“十字”结构。

图14A描绘了工艺补偿的预制件图的一部分，其中，约束要求最大化使用直的预制件。

图14B描绘了制造约束在最小化与理想路径之间的偏差与最大化使用直的预制件之间权衡后的情况下，图14A中所示的工艺补偿的预制件图的一部分。

图15描绘了部件的性能提升和部件中弯曲的预制件的质量与部件中预制件的总质量之比的函数关系图。

图16描绘了用于执行图2和图5所示方法的至少一部分的处理系统。

具体实施方式

定义。定义以下术语及其变形以便在本发明和所附权利要求中使用：

·“纤维”指单股材料。纤维的长度远大于其直径。为方便本文中使用，纤维被分类为(i)连续的，或(ii)短的。连续纤维的长度大约等于放置其的模具的主要特征的长度。类似地，连续纤维的长度大约等于它们所成型部件的长度。短纤维的长度比放置其的模具的主要特征的长度短，通常与模具的次要特征的长度相当，在此基础上再额外多出一段长度，以便与其他纤维“重叠”，例如连续纤维。本文所用的术语“短纤维”不同于在本领域中通常使用的“短切纤维”或“切断纤维”。在本发明的上下文中，短纤维存在于预制件中，因此，在预制件、模具和最终部件中具有确定的朝向。但是，本领域中通常使用的短切或切断纤维在模具和最终部件中具有随机的朝向。另外，“短纤维”的长度可以基于模具的较小特征的长度(它们长度相当)。相反，短切或切断纤维的长度通常与模具/部件的任何特征的长度没有预先确定的关系。

·“刚度”指通过杨氏模量测得的抗弯曲性。

·“抗拉强度”指在材料在出现“颈缩”或以其他方式失效之前(在脆性材料的情况下)，其被拉伸/牵拉时可以承受的最大应力。

·“连续”纤维或纤维束是指那种长度大约等于放置所述纤维/纤维束的模具的主要特征的长度的纤维/纤维束。

·“丝束”指一束纤维。除非另有说明，否则这些术语在本文中可互换使用。丝束通常是以千计数的纤维：例如IK丝束，4K丝束，8K丝束等。

·“预浸料”指浸渍了树脂的纤维。

·“丝束预浸料”或“预浸料丝束”指浸渍了树脂的纤维束(即丝束)。

·“预制件”指丝束/丝束预浸料中具有尺寸或具有尺寸和形状的一部分，其中，纤维束的横截面的纵横比(宽度：厚度)在约0.25至约6的范围内。术语预制件明确地排除了具有尺寸/形状的(i)带条(其长宽比，即上述的横截面，通常在约10到约30的范围内)，(ii)纤维片，以及(iii)层压板。

·“大约”或“基本上”指相对于规定数字或标称值的+/-20％。

除了在示例中或另有说明，说明书和权利要求书中使用的所有数字，如成分的数量，均应理解为由术语“约”修饰。因此，除非另有说明，说明书和所附权利要求书中涉及的数值参数均应理解为可能会以本领域技术人员理解的方式变化的近似值，变化具体取决于要获得的所需性能。通常，这意味着至少有+/-20％的变化。

此外，可以理解的是，本文列举的任何数值范围均包括其内的所有子范围。例如，范围“1至10”表示介于(以及包括)最小值为约1与最大值为约10之间的所有子范围，即，最小值等于或大于约1，最大值等于或小于约10。

本领域技术人员可以理解的是，例如但不限于图3至6中描绘的流程图表示各种过程，这些过程实质上在计算机可读介质中表示，并且由处理系统执行，无论是否明确引用或描绘该处理系统。

在本文的权利要求中，任何表示为执行指定特定功能的装置的元件都旨在涵盖执行该功能的所有方式，包括例如a)实现该功能的电路元件的组合，或b)任意形式的软件，包括固件、微代码等，结合适当的电路以执行该软件，从而实现该功能。事实上，在这种权利要求限定的本发明中，由各种装置提供的功能以权利要求书所要求的方式组合在一起。因此，申请人认为任意可提供相同功能的装置都等同于本文中示出的装置。最后，除非本文另有明确规定，否则附图未按比例绘制。

图1描绘了用于实践根据本发明的方法的系统90。该系统包括处理系统100，预成型器102，模具104，和测试设备106。

处理系统100根据本文所述方法执行部件设计的至少某些部分。具体地，在一些实施例中，处理系统100以多种不同格式(例如，可由控制预成型器102的系统读取，可由操作人员读取)中的任意一种格式生成指示最终部件中纤维的尺寸和对齐方式的图。在一些实施例中，本方法无需进一步的处理即可生成理想纤维图。适合使用理想纤维图的情况包括但不限于，部件小批量生产(此时效率不那么重要)，或制造商只是想稍微了解部件的设计。在一些其他实施例中，该图考虑了制造问题并提供了可以直接实现以制造部件的设计。在这些实施例中，该图提供了部件中预制件的布置，其中，该图(在某些情况下具有附加信息)指定了放置在模具中以制造部件的各种预制件的尺寸、形状、布局和数量。

结合图2至图15，如下进一步的描述，在由系统90迭代执行本方法足够次数后，获得可用于完成部件设计的信息。在一些实施例中，该设计提供了预制件的布置，从而使得部件设计：(a)满足部件要求，包括预期的荷载条件，以及(b)提高了部件的制造效率。

处理系统100的输出或指定或用于确定预成型器102将制造的预制件的形状、尺寸和数量。由预成型器制造的预制件以手动或自动的方式(例如，拾放机器人)放置在模具104中。在示例性实施例中，模具104用于以现有方式中的压塑成型来制造部件。在测试装置106中对制造的部件进行测试。基于测试结果以及之前进行的迭代次数，可再次或多次执行通过系统90。通常，通过改变本方法中使用的一个或多个参数、或参数的权重，以生成一个新图，即，预制件的不同布置方式。

在一些实施例中，本方法收敛于部件设计，其中涉及部件性能和工艺效率之间的指定权衡。在一些其他实施例中，本方法的多次迭代提供了部件性能和与制造效率相关的一个或多个约束之间的函数关系图。可利用该图来选择设计。该图，一方面，可提供在满足最低性能要求的同时，获得最佳的制造效率；另一方面，可提供以牺牲制造效率为代价来获得最佳的部件性能。可选择介于这两种极端情况之间(包括这两种极端情况)的任意一种情况进行设计，以适合特定的应用程序。

参考图16，处理系统100包括处理器1662，存储器1664，存储装置1666，和输入/输出结构1668。通常地，一条或多条总线1670将组件1662、1664、1666和1668互连。

处理系统100适用于通过存储的程序控制指令实现本文描述的方法。处理系统100可利用“台式”计算机、“膝上型”计算机、“平板”计算机、和/或智能电话等来实现。处理系统可被集成到另一系统中，例如，控制预成型器102和测试设备106等的系统。处理系统可通过分立元件，或一个或多个集成组件来实现。举例来说，处理系统100可包括运行多种操作系统中的任意一种操作系统的计算机。

处理器1662为通用处理器。处理器1662执行指令，例如在一个或多个附图所描述方法的一个或多个步骤中包含的指令。此外，处理器1662能够填充、更新、使用和管理存储器1664和/或存储装置1666中的数据。在本发明的一些替代实施例中，处理器1662为专用处理器。本领域技术人员清楚如何制造和使用处理器1662。

存储器1664为存储数据的计算机可读介质，例如易失性或非易失性存储器。存储装置1666为处理系统100提供存储服务，包括但不限于，存储由处理器1662执行的指令以及执行这些指令得到的结果。存储装置1666采用非易失性、非暂时性存储技术(例如，Read-Only Memory(ROM)、Erasable Programmable Read-Only Memory(EPROM)、ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory(EEPROM)、硬盘驱动器、闪存驱动器、采用磁或光或其他记录技术的磁带装置、其他固态存储技术、Compact Disc Read-Only Memory(CD-ROM)、或Digital Video Disc(DVD)等)。本领域技术人员清楚如何制造和使用存储器1664和存储装置1666。

输入/输出结构1668为处理系统100提供输入/输出操作，其可包括键盘、和/或显示器、和/或收发器或其他通信装置，以通过任意适宜的介质和任意适宜的协议进行通信。可使用一个或多个此输入/输出装置来接收和输出数据和/或信息。在一些实施例中，处理系统100通过输入/输出结构1668从测试装置106接收数据，以及将数据传送给预成型器102。

继续参考图1，预成型器102是一个或多个装置，用于对树脂浸渍纤维束(即丝束预浸料)进行尺寸，或尺寸和形状的处理，从而形成“预制件”。在一些实施例中，预成型器102包括上胶/弯曲/切割机。在这些实施例中，预成型器分离出所需长度的丝束，将其弯曲成所需形状，然后将其切割以与丝束预浸料-给料分开。预成型器102通常包括机械元件的较简单布置，这些机械元件可以多种方式中的任意一种来实现，至少部分地由其想要赋予预成型件的形状决定。尽管不是必须的，但是上胶/弯曲/切割的操作通常是由单个装置执行的。在一些实施例中，预成型器102还包括将预制件向后续处理步骤转移的机械臂。例如，在一些实施例中，机械臂在将预制件放置在模具106中之前，先将预制件放置在中间托盘中。在另一些实施例中，机械臂将预制件放置在适于生成预制件的布置的夹具中，本文中称为“预制件装料”。在另外的实施例中，机械臂直接将预制件放置在模具106中。结合本发明，本领域技术人员能制造和使用预成型器102。

供应给预成型器102的纤维束包括数千条单独的纤维，通常为一千的倍数(例如1k，10k，24k等)。通常将这种纤维束称为“丝束”。在一些实施例中，利用聚合物树脂浸渍丝束中的纤维，得到的材料即为先前提到的“丝束预浸料”。丝束预浸料可具有任意合适的横截面形状(例如，圆形、椭圆形、三叶形、多边形等)。

丝束预浸料中的单条纤维可以具有任意直径，通常但并非必须地，直径在1微米至100微米的范围内。单条纤维可具有外部涂层，包括但不限于施胶，以便于加工、粘合剂的粘合、使纤维的自粘合最小化或赋予某些性能(例如，导电性等)。

各单条纤维可由单一材料或多种材料(例如，下面列出的材料)制成，或者其本身为复合材料。例如，单条纤维可包括(第一材料的)芯，该芯涂覆有第二材料，例如导电材料、电绝缘材料、导热材料或隔热材料。

就成分而言，各单条纤维可为但不限于，碳、玻璃、天然纤维、芳族聚酰胺、硼、金属、陶瓷、聚合物长丝等。金属纤维的非限制性示例包括钢、钛、钨、铝、金、银、前述任意一种的合金、以及形状记忆合金。“陶瓷”指所有无机和非金属材料。陶瓷纤维的非限制性示例包括玻璃(例如，S-玻璃、E-玻璃、AR-玻璃等)、石英、金属氧化物(例如，氧化铝)、硅酸铝、硅酸钙、岩棉、氮化硼、硅碳化物，以及前述任意一种的组合。此外，还可以使用碳纳米管。

在示例性实施例中，聚合物树脂是热塑性的。任意热塑性塑料都可以与本发明的实施例结合使用。与本发明的实施例结合使用的示例性热塑性树脂包括但不限于丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、尼龙、聚芳醚酮(PAEK)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、聚碳酸酯-ABS(PC-ABS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚磷酸(PPA)、聚丙烯(PP)、聚砜(PSU)、聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)。

返回对图1的讨论，为了制造部件，根据处理系统100生成的预制件图，将预制件放置在模具104中，以实现本文稍后描述的方法。图6描绘了一模具的凹部610，该凹部610具有模腔612。在准备制造部件时，根据预制件图所描述的布置，将预制件放置在诸如模腔612之类的模腔中。

在示例性实施例中，通过本领域中已知的压缩成型方式来制造部件，其中，模具中的材料在温度和压力作用下形成部件。温度为所用树脂的函数，其足以使树脂液化。在施加的压力作用下，(预制件的)纤维和当前处于液化状态的树脂被固结。然后将固结的材料冷却以形成纤维复合材料部件。

在本方法的应用中，通过测试装置106获得部件的机械性能。机械性能通常指根据预期的荷载条件(大小和方向)向部件施加力时，部件可以承受的直至失效时的力的大小。在一些实施例中，测试设备106是本领域熟知的通用测试机(“UTS”)，例如可从马萨诸塞州诺伍德市的Instron

购得。除了量化施加到失效部件上的力和变形量之外，本领域技术人员能够使用测试设备106来确定部件失效的位置以及部件失效的情况。从测试设备106获得的数据和/或从其分析得出的信息用于：(1)作为更改设计参数(制造约束)或其相对权重的基础，以用于本方法的后续迭代，和/或(2)作为确定“最佳”部件设计的基础。从图2继续本发明实施例的描述，其中图2描绘了根据本教导的方法200的流程图。

图2中描绘的方法200可用于“优化”部件的设计。可以理解的是，如本文所使用的诸如“优化”(和“最小化”或“最大化”)之类的术语不应该仅理解为字面意思。也就是说，现实世界中的流程不太可能“优化”或“最小化”任何事物。在当前情况下，例如，优化多为在部件机械性能和制造效率之间进行权衡，以最适合特定的使用案例。相较于不考虑制造效率的制造方法，本发明的实施例在制造满足机械要求的部件的同时，还提高了制造效率(例如通过减少制造时间)。

本文公开的方法具有设计和制造部件的能力：

·牺牲一定程度的制造效率，来获得出众的机械性能；

·满足最低性能要求的同时，具有较高的制造效率；

·或，介于上述两种极端情况之间的任意情况。

在方法200的步骤S201中，生成了工艺补偿的预制件图。该“图”(可能是以图的实际形式，也可能不是以图的实际形式)规定了形成部件的预制件的尺寸和形状，以及预制件在模具中的放置朝向。由处理系统100执行步骤S201的大部分或全部。

图3描绘了用于实现步骤S201的方法。本方法包括步骤S301，用于生成理想纤维图。如图5所示，理想纤维图规定了部件中纤维的布局，其仅基于部件要承受的力，而没有考虑任何与制造相关的因素。因此，从机械性能的角度来看，它提供了最佳的部件设计。

在用于实现步骤S201的方法中的步骤S302中，通过考虑与制造相关的因素来修改理想纤维图，以生成工艺补偿的预制件图。如图5所示，此修改考虑了与制造相关的一些约束。这些约束中的一些与预制件相关，而另一些与制造工艺(在示例性实施例中为压缩成型)相关。

工艺补偿的预制件图可能会与理想纤维图存在一定程度的偏差，因而，在机械性能上，根据工艺补偿的预制件图制造的部件至少一定程度地劣于基于理想纤维图制造的部件。然而，本方法将识别出部件仍能满足性能要求的设计。并且，由于工艺补偿的预制件图考虑了与制造相关的约束，因而提高了部件的制造效率，即相对于不考虑这些约束的工艺，减少了制造时间。

再次参考图2，在步骤S202中，根据工艺补偿的预制件图来成型部件。在示例性实施例中，采用压缩成型法来成型部件。图4描绘了用于实现步骤S202的方法。

本方法包括步骤S401，在该步骤中，根据工艺补偿的预制件图来制造预制件。除了各个预制件的尺寸和形状、以及其在模具中的朝向之外，步骤S201的输出还包括各种预制件的数量。因此，预成型器102根据工艺补偿的纤维图以及任何附加信息所指定的内容进行工作，以制造尺寸、形状和数量相符合的预制件。

在步骤S402中，按照工艺补偿的预制件图所指定的，将预制件装载到模具中。此过程可通过手动或自动方式实现。另外，在步骤S403中，成型该部件，根据示例性实施例，采用压缩成型方式成型该部件。

再次参考图2，在部件制造完成之后，在步骤S203中测量部件的至少一种性能。如前所述，测量可通过测试设备106执行，例如，universal testing machine(UTS)。

在步骤S204中，查询是否满足部件的荷载条件。如果不满足部件的荷载条件，则在步骤S205，至少一个与预制件相关的约束(在本说明书的后面部分中描述)被更改(通常，改变其相对于其他约束的相对权重)，并基于此，在步骤S201中生成新的工艺补偿的预制件图。

如果满足部件的荷载条件，则在步骤S206中询问是否基于预制件约束更改后的权重再迭代执行步骤S201，以生成另一个工艺补偿的预制件图。该决定可基于是否已执行足够的迭代以将所设计部件的性能范围限定在可接受范围内。

具体地，在一些实施例中，自变量，例如与预制件相关的约束，在一定范围内变化，使得在该范围内，部件的被测性能(例如，部件失效时施加的力等)：(i)呈现最大值，以及(ii)降至可接受值以下。假设自变量的变化会引起制造效率的变化，则可以通过在部件性能和制造效率之间取得所需平衡来选择部件的设计。

例如，制造弯曲的预型件比制造直的(不弯曲)预型件要花费更长的时间。但是，根据部件的几何形状和荷载性能，一定数量的弯曲的预制件可能会提升部件的性能。图15描绘了性能提升和部件中弯曲的预制件的质量与部件中预制件的总质量之比之间的函数关系图。在此图中，“性能”指部件失效时所施加的力，表示为相较于点1540处的基线性能提升的百分比。在点1544处标识的部件性能的最大值出现在当弯曲的预制件与总预制件的质量之比为约0.7时。出于教学目的，假设当弯曲的预制件与总预制件的质量比低于0.5时，如点1546处所标识的，认为部件性能是不可接受的。

基于前述的性能和假设，在一个针对制造效率进行“优化”的设计中，弯曲的预制件与总预制件的质量比约为0.5，因为(a)包括满足性能所需的最小量的弯曲的预制件，以及(b)制造时间随部件所需的弯曲的预制件数量的减少而减少。由于是在满足性能要求的同时尽可能地降低比例，所以制造效率实际上是最大的。需要注意的是，在比率等于或大于0.9时，部件性能会下降到不可接受的水平，但是曲线的这一部分不太可能引起注意，因为当需要大量的弯曲的预制件时，制造效率会受到影响。

如果期望提升部件性能，则可以通过将弯曲的预制件与总预制件的质量比增加至约0.7，从而以牺牲部分制造效率来获得性能的提升。

返回对图2中步骤S206的讨论，如果期望再迭代执行步骤S201，以如上所述的限定可接受的性能范围，则在步骤S205中改变至少一个预制件约束(或其相对于其他约束的权重)，以及在步骤S201中生成另一个工艺补偿的预制件图，然后重复在步骤S202至S204中描述的处理。

如果已限定可接受的性能范围，则在步骤S207中，例如通过使用类似于图15所描述的关系图，完成部件设计的预制件布局。可以通过手动查看关系图选择最终设计，也可以基于输入到处理系统100的准则自动地选择最终设计。

图5描绘了用于执行步骤S201的方法，即生成工艺补偿的预制件图的一个实施例。图5中所描绘方法的步骤落入以下两组之一：以虚线隔开的A或B。组A包括与生成理想纤维图相关的步骤(例如，步骤S501至S508)，组B包括与生成工艺补偿的预制件图相关的步骤(即，步骤S509至S515)。

在步骤S501中，建立部件的几何形状和荷载条件(例如，向部件施加力的大小、方向和作用点)，并存储在例如处理系统100的存储装置1666中。在步骤S502中，本方法检查以确保荷载条件和部件的几何形状彼此一致。例如，如果力施加在“空间”中，即施加在与部件位置不对应的位置，则不一致。如果荷载条件和部件的几何形状彼此不一致，则在步骤S503中表征不一致性，然后在步骤S504中通过适当地改变部件的几何形状/荷载条件来进行纠正。

如果荷载条件和部件的几何形状彼此一致，则(依次)执行步骤S505和S506，以生成理想纤维图，即图3中所示方法的步骤S301。

在步骤S505中，确定整个部件的主应力等值线。例如，可通过有限元分析(“FEA”)部件的几何形状和荷载条件来进行确定。得到的结果为部件的“图”，示出了根据FEA处理得到的在部件各个“元素”处的应力大小和方向。由于理想纤维路径旨在与应力矢量对齐，因此各个应力矢量都被视为“纤维矢量”。换句话说，在任意给定元素处的纤维矢量的方向都被视为在此元素处的应力矢量的方向。

图9描绘了应力矢量的示意图914，并且因此描绘了如图7中的部件714的纤维矢量。应力矢量的细节(大小和方向)是由部件荷载方式(即在部件上施加力的位置)决定的。示意图914是基于如图8所示的荷载方式：将相等的力F施加到部件714两个臂的末端，并使部件处于“X”朝向。如果部件的荷载方式不同，则应力矢量必然不同，最终导致部件中的纤维布局不同。

该十字形部件包括中央区域720和四个臂716。相邻臂相交的区域718具有平滑的弯曲轮廓。如图9所示，纤维矢量922在臂716内是直的，但在两臂之间为与区域718的轮廓相一致(同样由于施加力的位置)的弯曲。通常地，在任意此类元素处的应力方向可能与为相邻元素计算的应力方向明显不同。在许多情况下，这只是数学假象。为了清楚和简单起见，图9A中描绘的应力矢量/纤维矢量被示为具有一致的方向性。

在步骤S506中，将理想纤维矢量彼此“连接”以形成“整体”纤维路径(最大可能地覆盖部件的路径)。除其他因素外，生成的路径数量取决于FEA分析中使用的元件的大小。元件越大，生成的纤维路径越少。利用传统的优化方法，要实现由单个元件的纤维矢量构成连续的纤维路径。具体地，该变换可描述为成本最小化问题。所发生的“成本”是纤维路径不连续性，纤维路径与每个量级的纤维矢量朝向的偏差(例如，与较高量级的矢量的偏差会导致较高的成本)，以及纤维路径长度的函数。通过将成本与这些特性中的每一个特性相关联，优化将以尽可能低成本的方式连接矢量。通过这种方式可得到连续纤维的图，该图是各个元件中纤维矢量的最优可能表示。根据本教导，通过成本最小化或其他技术来实现步骤S506在本领域技术人员的能力范围内。

图10描绘了整体理想纤维路径的示意图1014。最靠近臂716外边缘的纤维1024包括弯曲部，该弯曲部的轮廓紧密地跟随弯曲区域718的轮廓。这些纤维延伸到相邻臂的末端。位于臂716内部的纤维1026是直的，并且延伸到相对臂的端部。中心区域720包括更多的纤维路径，但为了清楚起见，在图中省略了部分。需要注意的是，这些纤维路径中存在轻微凸起，这是应力从应力矢量对齐的较薄区域传递到应力分布较不均匀的较宽中央区域引起的。

在步骤S506中生成理想纤维图之后，在步骤S507中查询所设计的部件是否要考虑其生产效率。例如，小批量生产的部件可能不需要有效率方面的考虑；或者，如果本方法仅用来开发设计的一些初步信息，那么现在考虑制造问题可能为时过早。如果不需要考虑制造效率，则在步骤S508中，输出以及存储在步骤S506中计算得到的理想纤维图，并且处理在此节点结束。

然而，如果需要考虑部件的制造效率，那么，处理进入B组步骤，以生成工艺补偿的预制件图。

在步骤S509中，建立用于修改理想纤维图所应用的制造约束，并视情况将其输入处理系统100。约束包括与预制件的使用相关的约束，以及与所使用的成型方式，如示例性实施例中提供的压缩成型相关的约束。

适用于预制件的示例性约束包括但不限于：

·最大化直段(或最小化弯曲段)的数量，因为直段的生产速度快于弯曲段的生产速度。

·最大化相同预制件段的数量，因为减少工艺差异可加快生产速度。

·最小化独特弯曲半径的数量，因为减少工艺差异可加快生产速度。

·最小化独特丝束剖面的数量，因为减少工艺差异可加快生产速度。

·最大化丝束段(或最小化重叠)的长度，因为较长的连续纤维比多根较短的重叠纤维更牢固。

·最大化丝束剖面的横截面积，因为使用较大的丝束可减少所需的总段数，从而减少工艺操作。对于某部件的某给定截面，填充容积所需的丝束数量是该截面的横截面积除以单个丝束的横截面积。

·在需要不连续纤维的情况下，最大化延长丝束重叠距离，因为构成整个纤维路径的丝束分段之间的重叠距离越长，不连续纤维路径会更牢固。较大的重叠可提供更多的荷载共享区域。

·最小化预制件纤维路径与理想纤维路径之间的偏差，因为任意与理想纤维路径的主应力等值线之间的偏差都会损失部分机械性能。

适用于压缩成型的示例性约束包括但不限于：

·最小化压缩过程中的纤维位移，因为在部件制造过程中，不期望的位移可能会对最终的纤维路径产生不利影响。

·使预制件的横截面与模具的形状相匹配，因为放置与模具形状相匹配的预制件比放置与模具形状不匹配的预制件更容易、快捷。

·绘制将流向流动腔的纤维段，因为部件内的某些体积可能需要流动的纤维(分别通过过量填充或填充不足以流入或流出某些区域来实现)。

·最小化预制件堆叠的高度，因为较小的高度所需的模具质量较少，从而在压缩过程中可较快地加热和冷却。

·确认不流动的预制件(长度与要制造的部件的长度相当的预制件)与压缩方向平行，因为在热和压力作用下，这种定向纤维无法保持纤维的朝向。e

·确认预制件的最终体积大于最终部件体积，因为本方法必须考虑压缩成型期间的飞边。

不需要应用两个类别中的所有约束——仅需应用那些对特定部件的制造起关键作用的约束。实际上，上面列出的任意一个或多个约束(与预制件相关或与压缩成型相关)都可以构成分析的基础。例如，对于一个通过压缩成型能很容易制成的部件，只需要应用属于预成型类别的约束，反之亦然。

还可以选择约束的优先级。无论是约束是并行地还是顺序地应用到理想预制件图，各个约束的权重由用户输入确定。通过应用较高优先级约束较早的序列或赋予它们较大的权重，以对理想预制件图的更改产生较大影响。迭代运行本方法可评估优先级的敏感性，最终生成最实用的图。

可以独立改变赋予每个约束的权重以改变工艺补偿的预制件图。例如，不是对与最大化直段相关的约束和与最小化理想纤维路径变化相关的约束赋予相等的权重，而是将较大的权重赋予与最大化直预制件段相关的约束。与对这些约束赋予相等权重的设计相比，将较大权重赋予与最大化直预制件段相关的约束的设计虽然提高了生产效率，但可能表现出一定的性能折中(基于与理想纤维路径的可能偏差)。在这方面，请考虑以下内容。

如前讨论的，图7描绘了十字形部件714，其包括中央区域720和四个臂716。相邻臂相交的区域718具有平滑的弯曲轮廓。利用预制件填充凹模610(图6)的模腔612来形成部件714。本教导被应用于开发用于填充模腔612的预制件布局。假设图10提供了该部件的理想整体纤维路径。

图13A描绘了使用两个直的预制件1126形成的“十字”形布置1330。图13B也描绘了“十字”形布置，但是图13B中的十字形布置1332是使用四个弯曲的预制件1124形成的。图14A描绘了用于填充模腔612(偏移是为清楚起见)的多个布置1330。例如，当将全权重赋予最大化直的预制件的约束条件，而将最小权重赋予最小化理想纤维路径偏差的约束条件时，即可根据本方法得到该设计。注意在这些布置1330中，相邻臂之间的区域如何不具有平滑的弯曲轮廓，而是两臂相交成90度。这种设计只使用直的预制件，因而可以高效(快速)地制造部件，但由于与理想纤维对齐存在偏差，性能可能会受到一定程度的影响。

图14B描绘了多个布置1332和一个布置1330。与使用直的预制件相比，这种设计是将更多的权重赋予最小化与理想纤维对齐的偏差相关的约束。在这方面，需要注意的是，臂1124之间的区域虽然不如理想纤维路径中对应区域那样平滑，但其偏移程度比布置1330中的偏移程度要小得多。由于制造基于该预制件布局的部件需要花费时间制造弯曲的预制件，因而，相比基于图14A中预制件布局的部件，将花费更多的制造时间(效率降低)。但是，由于布置中的纤维与理想纤维布置的偏离减少了，因此，该部件的性能将优于基于图14A所示预制件布局制造的部件的性能。

继续讨论图5所示方法。在步骤S510和S511中，通过将两组约束应用于理想预制件图，以生成工艺补偿的预制件图，即图3所示方法中的步骤S302。与步骤S506类似，该步骤也可以作为成本最小化问题来实现。产生的“成本”是各种约束及各自权重的函数。根据本教导，采用成本最小化或其他技术来实现步骤S510和S511在本领域技术人员的能力范围内。

这种约束的应用可通过图11A与图11B的对比看出，其中，图11A描绘了具有平滑曲线/拐弯的理想纤维路径1024；图11B描绘了预制件1124，其在与理想形式保持较小偏差的同时，用一条直线和两个拐弯代替了一条平滑曲线。

图12描绘了工艺补偿的预制件图1214，其包括弯曲的预制件1124，连续的直的预制件1126，以及短的直的预制件1128。如先前讨论的，将非零权重赋予与最小化预制件路径和理想纤维路径之间的偏差相关的约束，以及赋予与最大化直段相关的约束，从而产生了弯曲的预制件1124。

基于FEA模拟细节和部件的几何形状，被模拟部件的各个“元件”将具有对应的尺寸，从而可以确定不同整体理想纤维路径的长度和宽度。根据与用于制备预制件的丝束预浸料的函数关系，可知预制件的横截面积。因此，在获知理想纤维路径的尺寸和预制件的尺寸后，可以将理想纤维路径转换为等效的预制件，即提供了预制件的长度、形状、位置/朝向及其所需数量的图。

在步骤S512中，查询工艺补偿的预制件图是否满足预制件和成型技术要求。例如，很重要的一点是要确保图中使用的预制件是可以实际制造(例如，如果图中的预制件包含过多的折弯，这可能是一个问题)的。如果否，则在步骤S513中自动地(例如，由处理系统100或用户)表征该问题。在表征该问题后，在步骤S514中改变适当的约束(或权重)，以生成满足所有要求的新的工艺补偿的预制件图。另外，在生成此新图后，在步骤S515中将其输出(例如，打印、显示等)或存储。

应当理解，本发明仅描述了一些实施例，本领域技术人员在阅读了本发明之后可以容易地设计出本发明的许多变型，并且本发明的范围将由权利要求确定。

Claims (21)

1.一种设计纤维复合材料部件的方法，其特征在于，所述方法包括：

定义所述部件的几何形状以及施加到所述部件上的力；

基于所述几何形状和所述力，确定所述部件的应力等值线；

根据所述应力等值线生成理想纤维图，其中，所述理想纤维图中纤维的方向与所述部件的所述应力等值线对齐；

定义适用于制造所述部件的多个约束；以及

通过所述约束修改所述理想纤维图，生成第一工艺补偿的预制件图，其中，所述第一工艺补偿的预制件图用于提供制造所述部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将具有所述第一工艺补偿的预制件图中的预制件的尺寸和形状的预制件放置在模具中，其中，根据所述第一工艺补偿的预制件图中指定的朝向将所述预制件放置在所述模具中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据压缩成型制程，通过向所述模具中的所述预制件施加热和压力来成型所述部件。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

测试所述部件，以确定所述部件的至少一个性能指标。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定义所述约束还包括：

对多个所述约束中的至少部分约束赋予权重，其中，所述权重影响所述第一工艺补偿的预制件图中的所述预制件的尺寸、形状和朝向中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在生成所述第一工艺补偿的预制件图之后，所述方法还包括：

改变多个所述约束中的至少一个约束的权重；以及

生成第二工艺补偿的预制件图，其中，由于所述权重的改变，所述第二工艺补偿的预制件图中的所述预制件与所述第一工艺补偿的预制件图中的所述预制件在尺寸、形状、朝向和数量中的至少一种上不同。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在一定范围内改变多个所述约束中的至少一个约束，其中，对于所述约束中的每个变化，基于生成的工艺补偿的预制件图来制造部件，并且测试所述部件以获得性能指标，其中所述约束充分变化足以使得所述范围包括：

(i)所述约束的第一值，在所述第一值处所述部件的所述性能指标具有最大值；以及

(ii)所述约束的第二值，在所述第二值处所述部件的所述性能指标降至可接受值以下。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

选择与所述约束的值对应的工艺补偿的预制件图作为所述复合材料部件的设计，其中，所述约束的值落入介于所述第一值和所述第二值之间、且包括所述第一值和所述第二值的范围内。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

选择与所述约束的第一值对应的工艺补偿的预制件图作为所述复合材料部件的设计，从而提供具有最佳部件性能的设计。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

选择与所述约束的第二值对应的工艺补偿的预制件图作为所述复合材料部件的设计，从而提供用于优化制造效率的设计。

11.一种设计纤维复合材料部件的方法，其特征在于，所述方法包括：

定义所述部件的几何形状以及施加到所述部件上的力；

基于所述几何形状和所述力，确定所述部件的应力等值线；

根据所述应力等值线生成理想纤维图，其中，所述理想纤维图中纤维的方向与所述部件的所述应力等值线对齐；以及

根据所述理想纤维图，确定制造所述部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量，以符合定义的所述几何形状和所述力。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将具有确定的所述尺寸和所述形状的预制件放置在模具中，其中，依照确定的所述朝向将所述预制件放置在所述模具中。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据压缩成型制程，通过向所述模具中的所述预制件施加热和压力来成型所述部件。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

测试所述部件，以确定所述部件的至少一个性能指标。

15.一种设计纤维复合材料部件的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过将一个或多个制造约束应用于纤维复合材料部件内的、基于荷载条件的理想纤维路径，来生成工艺补偿的预制件图，其中，所述第一工艺补偿的预制件图提供了制造所述纤维复合材料部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

使用由所述第一工艺补偿的预制件图指定的所述预制件来制造所述部件。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

测试所述部件，以确定所述部件的至少一个性能指标。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，对至少一个所述制造约束赋予权重，其中，所述权重影响所述第一工艺补偿的预制件图中的所述预制件的尺寸、形状和朝向中的至少一种。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在生成所述第一工艺补偿的预制件图之后，所述方法还包括：

改变对至少一个制造约束赋予的权重；以及

基于所述改变后的权重生成第二工艺补偿的预制件图，其中，所述第二工艺补偿的预制件图中的所述预制件与所述第一工艺补偿的预制件图中的所述预制件在尺寸、形状、朝向和数量中的至少一种上不同。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在一定范围内改变对所述至少一个制造约束赋予的权重，其中，对于所述权重的每个变化，基于生成的工艺补偿的预制件图来制造部件，并且测试所述部件，以获得性能指标；其中，所述权重充分变化足以使得所述范围包括：

(i)所述制造约束的第一值，在所述第一值处所述部件的所述性能指标具有最大值；以及

(ii)所述制造约束的第二值，在所述第二值处所述部件的所述性能指标降至可接受值以下。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

选择与所述约束的值对应的工艺补偿的预制件图作为所述纤维复合材料部件的设计，其中，所述约束的值落入介于所述第一值和所述第二值之间、且包括所述第一值和所述第二值的范围内。

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