CN113183489B - 一种弧形纤维复合材料铺层及其铺设方法 - Google Patents

一种弧形纤维复合材料铺层及其铺设方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弧形纤维复合材料铺层及其铺设方法，所述铺设方法包括如下步骤：S1：根据弧形待铺层区域上短弧的长度，以及铺带单元的宽度，确定所述待铺层区域上所述铺带单元的数量；S2：根据所述弧形待铺层区域上所述短弧的长度、长弧的长度、所述铺带单元的数量以及所述铺带单元的预设铺层角度，确定每一所述铺带单元中铺设引导线的运行轨迹；所述铺设引导线的曲率随所述弧形待铺层区域的形状变化；S3：根据所述铺设引导线的运行轨迹进行铺层自动铺设。本发明提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，通过优化铺带单元在铺层中的铺设路径，增加铺带单元的铺层面积，减小相邻铺带单元之间的间隙。

Description

一种弧形纤维复合材料铺层及其铺设方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种弧形纤维复合材料铺层及其铺设方法。
背景技术
随着科学技术的发展，目前的复合材料铺层铺设工艺越来越多的依靠机器人来进行操作，例如现在的自动铺丝、自动铺带技术已发展较为成熟。
但是现有的自动铺丝、自动铺带技术仅适用于边缘呈直线状，且形状规则的产品；在对弧形产品，如边缘呈弧形的产品进行铺层时，易于在相邻铺带单元间留有较大的间隙，使得铺层局部厚度减小，导致铺层厚度不均匀，进而造成产品翘曲变形。
发明内容
本发明解决的问题是目前对边缘呈弧形的产品进行纤维铺层时，相邻铺带单元间的间隙较大。
为解决上述问题，本发明提供一种弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，包括如下步骤：
S1：根据弧形待铺层区域上短弧的长度，以及铺带单元的宽度，确定所述待铺层区域上所述铺带单元的数量；
S2：根据所述弧形待铺层区域上所述短弧的长度、长弧的长度、所述铺带单元的数量以及所述铺带单元的预设铺层角度，确定每一所述铺带单元中铺设引导线的运行轨迹；所述铺设引导线的曲率随所述弧形待铺层区域的形状变化；
S3：根据所述铺设引导线的运行轨迹进行铺层自动铺设。
可选地，每一所述铺设引导线于所述弧形待铺层区域的中线处的铺层角度均为所述铺带单元的所述预设铺层角度。
可选地，所述铺设引导线的曲率，沿所述中线至所述短弧的方向逐渐增大；所述铺设引导线上各点的铺层角度，沿所述中线至所述短弧的方向逐渐增大。
可选地，所述铺设引导线上各点的所述铺层角度沿所述中线至所述短弧方向的增加量不大于5°。
可选地，所述铺设引导线的曲率，沿所述中线至所述长弧的方向逐渐减小；所述铺设引导线上各点的铺层角度，沿所述中线至所述长弧的方向逐渐减小。
可选地，所述铺设引导线上各点的所述铺层角度沿所述中线至所述长弧方向的减小量不大于5°。
可选地，所述弧形待铺层区域包括多段弧度时，所述弧形纤维复合材料铺层的铺设方法包括分段铺设。
可选地，确定每一所述铺带单元中铺设引导线的运行轨迹还包括，相邻所述铺设引导线的弯曲方向相反。
本发明的另一目的在于提供一种弧形纤维复合材料铺层，通过如上所述的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法进行铺设。
可选地，所述弧形纤维复合材料铺层包括若干相邻设置于弧形待铺层区域上的铺带单元；所述铺带单元中铺设引导线的曲率随所述弧形待铺层区域的形状变化。
与现有技术相比，本发明提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法具有如下优势：
本发明提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，通过优化铺带单元在铺层中的铺设路径，使得铺设引导线的曲率随弧形待铺层区域的形状发生变化，从而使得铺带单元的铺设路径随弧形待铺层区域的形状发生变化，增加铺带单元在弧形待铺层区域内的铺设路径，进而增加铺带单元的铺层面积，减小相邻铺带单元之间的间隙，使得弧形纤维复合材料铺层的分布更加均匀，产品厚度可控，减少制成品的翘曲变形等缺陷。
附图说明
图1为现有的弧形纤维复合材料铺层的结构简图一；
图2为现有的弧形纤维复合材料铺层的结构简图二；
图3为本发明中弧形纤维复合材料铺层的结构简图；
图4为本发明铺层铺设中坐标系设定的示意图；
图5为图4中A处的局部放大图；
图6为本发明中多弧段纤维复合材料铺层的结构简图一；
图7为本发明中多弧段纤维复合材料铺层的结构简图二；
图8为本发明中具有翻边的弧形纤维复合材料铺层的结构简图；
图9为本发明中翻边结构中立面部分铺层铺设方向的示意图。
附图标记说明：
1-弧形待铺层区域；11-短弧；12-长弧；13-中线；2-铺带单元；21-铺设引导线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明的实施例，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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
现有的自动铺带、自动铺丝技术，通常通过机器人来完成；铺设过程中，机器人每次铺设一固定宽度的铺带单元2，例如，适合于自动铺丝的铺带单元2由独立平行引导的纤维条带组成，即所谓的丝束，16个丝束组或者32个丝束组组成一个铺带单元2；丝束的宽度一般为12.7mm或6.35mm。适合于自动铺带的铺带单元一般为101.6mm至203.2mm；每一铺带单元2中的中线位置，通常被认为是铺设引导丝21。
对于弧形产品，也就是，产品的至少一个边缘为弧形结构的产品，进行纤维复合材料铺层铺设时，目前的铺设方法主要有两种；本申请以外半径上的弧长较长，内半径上的弧长较短的扇形为例进行说明，也就是弧形待铺层区域1呈扇形展开，参见图1所示，第一种是在弧形待铺层区域1上铺设铺设引导丝21为直线的铺带单元2，也就是说，铺设的铺带单元2为方形结构，铺设引导丝21无曲率；在弧形待铺层区域1上铺设这种结构的铺带单元2时，铺带单元2中的纤维丝束易于散开，相邻铺带单元2之间具有较大的间隙，且越靠近长弧12一侧，间隙越大，使得产品存在较大的缺陷；参见图2所示，第二种是在弧形待铺层区域1上铺设铺设引导丝21为曲率不变的弧线，相较于第一种铺设方式相比，相邻铺带单元2之间的间隙有所减小，但该间隙仍会导致产品存在质量缺陷。
为解决目前对边缘呈弧形的产品进行纤维铺层时，相邻铺带单元间的间隙较大的问题，本发明提供一种弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，该铺设方法包括如下步骤：
S1：根据弧形待铺层区域1上短弧11的长度，以及铺带单元2的宽度，确定待铺层区域1上铺带单元2的数量；
S2：根据弧形待铺层区域1上短弧11的长度、长弧12的长度、铺带单元2的数量以及铺带单元2的预设铺层角度，确定每一铺带单元2中铺设引导线21的运行轨迹；铺设引导线21的曲率随弧形待铺层区域1的形状变化；
S3：根据铺设引导线21的运行轨迹进行铺层自动铺设。
本发明提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，对于自动铺带技术、自动铺丝技术同时适用；具体的，由于短弧11的长度小于长弧12的长度，且铺带单元2的宽度不变，因此，本申请优选根据短弧11的长度以及铺带单元2的宽度来确定铺带单元2的数量，具体确定原则为，相邻的铺带单元2于短弧11处相接，且不重叠，以便于一方面使铺带单元2覆盖弧形待铺层区域1上尽可能多的面积，同时，又保证纤维复合材料铺层厚度均匀可控。
为提高铺带单元2在弧形待铺层区域1上的铺层面积，本申请将铺设引导线21设计为曲率可变的形式，参见图3所示，使得铺带单元2的形状能够随弧形待铺层区域1而变，从而使得铺带单元2与弧形待铺层区域1更加适配，有利于增加铺层单元于弧形待铺层区域1上的铺设面积，并且，还有利于在弧形待铺层区域1内铺设更多数量的铺层单元2，提高相邻铺带单元2之间的紧密度，减小相邻铺带单元2之间的间隙。
本发明提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，通过优化铺带单元2在铺层中的铺设路径，使得铺设引导线21的曲率随弧形待铺层区域1的形状发生变化，从而使得铺带单元2的铺设路径随弧形待铺层区域1的形状发生变化，增加铺带单元2在弧形待铺层区域1内的铺设路径，进而增加铺带单元2的铺层面积，减小相邻铺带单元2之间的间隙，使得弧形纤维复合材料铺层的分布更加均匀，产品厚度可控，减少制成品的翘曲变形等缺陷。
进一步的，本申请优选每一铺设引导线21于弧形待铺层区域1的中线13处的铺层角度均为铺带单元2的预设铺层角度。
具体的，参见图4、图5所示，铺设引导线21上某一点的纤维坐标系的纵轴，也就是该点角度为90度的铺层方向，是指在铺设坐标系中，原点与改点连线；该点纤维坐标系的横轴，也就是该点角度为0度的铺层方向，是指在该点与纵轴垂直相交的方向；该点处的铺层角度，即是指该点处的切线与横轴之间的夹角；由此可见，在铺设引导线21的曲率发生变化时，铺设引导线21上各点的铺层角度也在发生变化。
进一步的，本申请中铺带单元2的宽度具体是指，与铺设引导线21上某一点处的切线方向垂直的方向上，铺带单元2的宽度；本申请中铺带单元2的宽度恒定不变，通过在铺设过程中控制铺带单元2中各纤维条带的长度来使铺带单元2的形状与弧形待铺层区域1的外部轮廓相适配。
铺带单元2的预设铺层角度具体根据产品的需求而定；本申请提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，适用于预设铺层角度大于0°，且小于90°的所有弧形纤维铺层的铺设。
本申请通过限定铺设引导线21于弧形待铺层区域1的中线13处的铺层角度均为铺带单元2的预设铺层角度，相当于根据铺设需求限定了铺带单元2的大致运行轨迹，在此基础上，再进一步根据弧形待铺层区域1的形状，对铺设引导线21上其他各点处的铺层角度进行调节，也就是对铺层单元2的铺设路径进行调节，从而使得调节后的铺层单元2能够与弧形待铺层区域1的形状更加适配，增加铺层单元2于弧形待铺层区域1上的轨迹长度，增加铺设面积，进而减小相邻铺层单元2之间的间隙。
本申请优选铺设引导线21的曲率，沿中线13至短弧11的方向逐渐增大；也就是说，铺设引导线21上各点的铺层角度，沿中线13至短弧11的方向逐渐增大。
由于中线13位于短弧11与长弧12之间，因此，沿中线13方向的待铺层区域大于沿短弧11方向的待铺层区域；而本申请中铺层单元2的宽度不变，根据铺层宽度2的定义，通过使得铺设引导线21的曲率，沿中线13至短弧11的方向逐渐增大，有利于减小每一铺层单元于短弧11上的长度，从而对于面积恒定的弧形待铺层区域1而言，有助于增加铺层单元2的数量，进而增加铺层的铺设面积，减小相邻铺层单元2之间的间隙。
为保证铺设质量，本申请优选铺设引导线21上各点的铺层角度沿中线13至短弧11方向的增加量不大于5°，并进一步优选该增加量不大于3°，一方面避免该增加量太小导致相邻铺层单元2之间的间隙仍过大，另一方面避免该增加量太大，导致铺设路径变化较大，增加铺设难度，影响铺设质量。
相反，由于中线13的长度小于长弧12的长度，沿中线13方向的待铺层区域小于沿长弧12方向的待铺层区域；而本申请中铺层单元2的宽度不变，根据铺层宽度2的定义，通过使得铺设引导线21的曲率，沿中线13至长弧12的方向逐渐减小，有利于增加每一铺层单元于长弧12上的长度，从而对于面积恒定的弧形待铺层区域1而言，有助于增加铺层单元2的铺设面积，减小相邻铺层单元2之间的间隙。
为保证铺设质量，本申请优选铺设引导线21上各点的铺层角度沿中线13至长弧12方向的减小量不大于5°，并进一步优选该减小量不大于3°，一方面避免该减小量太小导致相邻铺层单元2之间的间隙仍过大，另一方面避免该减小量太大，导致铺设路径变化较大，增加铺设难度，影响铺设质量。
综上，本申请提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，通过使得每一铺带单元2中铺设引导线21的曲率沿短弧11至长弧12的方向逐渐减小，一方面增加弧形待铺层区域1内铺带单元2的数量，另一方面增加每一铺层单元2于弧形待铺层区域1内的铺设面积，从而减小相邻铺层单元2之间的间隙。
本申请提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法还适用于具有多段弧度产品的铺设；参见图6所示，当待铺层区域具有多个不同的弧形结构时，即弧形待铺层区域1包括多段弧度时，弧形纤维复合材料铺层的铺设方法包括分段铺设。
具体的，分段铺设是指，根据弧形待铺层区域1中的多段弧度结构，对待铺层区域进行分段，进而根据每一段的具体弧形结构，按照上述的铺层方法分段进行铺设。
此外，参见图7所示，在铺设过程中，确定每一铺带单元2中铺设引导线21的运行轨迹还包括，相邻铺设引导线21的弯曲方向相反，即，相邻两个铺层单元2的弯曲方向相反。
通过使相邻的两个铺带单元2反方向弯曲，增加了铺层单元2铺设的面积，减小了相邻铺带单元2之间的间隙，并且使得反向弯曲的两个相邻铺带单元2之间的间隙呈细纺锤型或者漏斗型，对于设计有外法兰区域凹槽的铺层，还可通过将该间隙设置于凹槽内，进一步减小间隙。
本申请提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，还可包括对铺层中相邻铺带单元2之间的间隙进行检测，若该间隙的面积在产品要求的间隙公差范围内，则可以直接进行下一步操作；若该间隙的面积大于产品要求的间隙公差范围，则通过人工填补的方式对间隙进行填补后，再进行下一步操作。
进一步的，参见图8所示，通过本发明提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法对具有翻边结构的产品进行铺设时，由于翻边结构为由平面结构弯折后形成，在平面的极坐标系(z＝0)中，该产品的平面部分半径恒定，可将折角线(也就是平面结束位置)，作为弧形铺层设计的边缘，该弧形铺层的铺设方法参照上文所述内容；立面部分的铺设路径可以看作是平面铺设路径的延长，参见图9所示，在该立面部分采用直线铺设，即平面部分的铺层铺设至折角线处时，铺层单元2沿该点处铺层方向继续以直线方式进行铺设，铺设完成后，沿该折角线处将立面部分弯折，弯折后，立面结构上相邻纤维之间的间隙即可闭合，从而极大的降低了对翻边结构铺层的铺设难度。
本申请提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，适用于环氧树脂基体预浸碳纤维的复合材料半成品，使用功能类似的其它热固性树脂系统和其它纤维系统也能达到同样的效果；除此以外，热塑性树脂预浸的纤维半成品也可以使用本专利方法，优选由聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)制成的纤维半成品。对于纤维材料，除了预浸的方法，干纤维定型定位后再进行树脂浸润的工艺也可以使用本方法。
本发明的另一目的在于提供一种弧形纤维复合材料铺层，该弧形纤维复合材料铺层通过如上所述的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法进行铺设。
本发明提供的弧形纤维复合材料铺层包括若干相邻设置于弧形待铺层区域1上的铺带单元2；铺带单元2中铺设引导线21的曲率随弧形待铺层区域1的形状变化。
本发明提供的弧形纤维复合材料铺层，通过优化铺带单元2在铺层中的铺设路径，使得铺设引导线21的曲率随弧形待铺层区域1的形状发生变化，从而使得铺带单元2的铺设路径随弧形待铺层区域1的形状发生变化，增加铺带单元2在弧形待铺层区域1内的铺设路径，进而增加铺带单元2的铺层面积，减小相邻铺带单元2之间的间隙，使得弧形纤维复合材料铺层的分布更加均匀，产品厚度可控，减少制成品的翘曲变形等缺陷。
具体的，该弧形纤维复合材料铺层中的铺带单元2的宽度不变，且每一铺带单元2中铺设引导线21的曲率随弧形待铺层区域1的形状发生变化，每一铺带单元2中铺设引导线21的曲率沿短弧11至长弧12的方向逐渐减小，每一铺带单元2中铺设引导线21上各点的铺层角度沿短弧11至长弧12的方向逐渐减小，且该铺设引导线21于弧形待铺层区域1上中线13处的铺层角度，为该铺带单元2的预设铺层角度。
并且，本申请优选铺设引导线21上各点的铺层角度沿中线13至短弧11方向的增加量不大于5°，并进一步优选该增加量不大于3°；铺设引导线21上各点的铺层角度沿中线13至长弧12方向的减小量不大于5°，并进一步优选该减小量不大于3°。
本申请提供的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，通过使得每一铺带单元2中铺设引导线21的曲率沿短弧11至长弧12的方向逐渐减小，一方面增加弧形待铺层区域1内铺带单元2的数量，另一方面增加每一铺层单元2于弧形待铺层区域1内的铺设面积，从而减小相邻铺层单元2之间的间隙。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据弧形待铺层区域(1)上短弧(11)的长度，以及铺带单元(2)的宽度，确定所述待铺层区域(1)上所述铺带单元(2)的数量；
S2：根据所述弧形待铺层区域(1)上所述短弧(11)的长度、长弧(12)的长度、所述铺带单元(2)的数量以及所述铺带单元(2)的预设铺层角度，确定每一所述铺带单元(2)中铺设引导线(21)的运行轨迹；所述铺设引导线(21)的曲率随所述弧形待铺层区域(1)的形状变化；
S3：根据所述铺设引导线(21)的运行轨迹进行铺层自动铺设；
每一所述铺设引导线(21)于所述弧形待铺层区域(1)的中线(13)处的铺层角度均为所述铺带单元(2)的所述预设铺层角度；
所述铺设引导线(21)的曲率，沿所述中线(13)至所述短弧(11)的方向逐渐增大；所述铺设引导线(21)上各点的铺层角度，沿所述中线(13)至所述短弧(11)的方向逐渐增大；
所述铺设引导线(21)的曲率，沿所述中线(13)至所述长弧(12)的方向逐渐减小；所述铺设引导线(21)上各点的铺层角度，沿所述中线(13)至所述长弧(12)的方向逐渐减小。
2.如权利要求1所述的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，其特征在于，所述铺设引导线(21)上各点的所述铺层角度沿所述中线(13)至所述短弧(11)方向的增加量不大于5°。
3.如权利要求1所述的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，其特征在于，所述铺设引导线(21)上各点的所述铺层角度沿所述中线(13)至所述长弧(12)方向的减小量不大于5°。
4.如权利要求1～3任一项所述的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法，其特征在于，所述弧形待铺层区域(1)包括多段弧度时，所述弧形纤维复合材料铺层的铺设方法包括分段铺设。
5.一种弧形纤维复合材料铺层，其特征在于，通过如权利要求1～4任一项所述的弧形纤维复合材料铺层的铺设方法进行铺设。
6.如权利要求5所述的弧形纤维复合材料铺层，其特征在于，所述弧形纤维复合材料铺层包括若干相邻设置于弧形待铺层区域(1)上的铺带单元(2)；所述铺带单元(2)中铺设引导线(21)的曲率随所述弧形待铺层区域(1)的形状变化。
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