CN113312781A - 一种用于复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，涉及航空发动机外涵机匣典型结构铺层设计领域。本发明通过在力学性能薄弱位置增加一定数量的铺层，从而达到改善开孔位置及机械连接位置力学性能的目的。本发明考虑了丢层的角度，丢层的位置与丢层过渡段的影响，保证了结构的整体性、连续性和对称性。本发明可以有效增加目标部位的力学性能，具有设计简单且适用性强的特点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种用于复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法。
背景技术
机匣复合材料层合结构的损伤机理十分复杂，其复杂性表现在很多方面，如开孔、机械连接、变厚度及初始分层等均会对结构的力学性能造成不能忽视的影响。航空发动机外涵机匣构成外涵气流通道，固定内涵穿出的传感器、管路，以及外部附件、支架和管路等构件。因此，其壳体上布置若干开孔和安装座。这些孔切断了连续的长纤维，导致孔边应力分布较为复杂，此外复合材料本身属脆性材料，孔边的应力集中较其它位置更为严重。为了加强结构开孔部位的承载性能，经常采用开孔区域增加厚度的方式提高结构的承载能力。
研究人员研究了铺层厚度和不同铺层角度对复合材料结构力学性能的影响分析，但未给出一种丢层方法，不合适的丢层方法反而会削弱结构的强度、刚度，很有可能造成应力集中的影响，影响结构的疲劳性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，具体技术方案如下：
一种用于复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：明确复合材料结构脆弱部位的主传力方向及主传力方向上所需截面刚度和截面强度；
步骤二：确定复合材料单向板性能参数；
步骤三：根据步骤二得到的参数，利用MATLAB编制程序，确定增强区域所需增加铺层角度及各铺层角度数量。
步骤四：对目标增强区域进行丢层方案设计。
所述复合材料增设铺层数设计规则：
(1)主传力方向上的刚度满足Exnh＞Egx，其中Ex为主传力方向等效模量，n为铺层数，h为单层板厚度，Egx为所需截面模量；
(2)主传力方向上的强度满足σxnh＞σgx，其中σx为主传力方向等效强度，n为铺层数，h为单层板厚度，σgx为所需截面强度；
(3)次传力方向上的刚度满足Eynh＞Egy，其中Ey为次传力方向等效模量，n为铺层数，h为单层板厚度，Egy为次传力方向所需截面模量；
(4)次传力方向上的强度满足σynh＞σgy，其中σy为次传力方向等效强度，n为铺层数，h为单层板厚度，σgy为次传力方向所需截面强度；
(5)剪切方向上的刚度满足Exynh＞Egxy，其中Exy为剪切方向等效模量，n为铺层数，h为单层板厚度， Egxy为剪切方向所需截面模量；
(6)剪切方向上的强度满足σxynh＞σgxy，其中σxy为剪切方向等效强度，n为铺层数，h为单层板厚度，σgxy为剪切方向所需截面强度；
(7)铺层角度用0°、45°、-45°与90°四种铺层，且铺层应相对于板的中面对称布置，铺层的增减变化也应相对于中面对称。
所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，变厚度段分为u/2m段，每段丢两层，且这两层相对层合板中面对称。
所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，以错开的方式丢层，即丢层间应互相间隔。
所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，长度最短的丢层应在离层合板外表面最近的部位，即长度最短的丢层是增强区靠近外表面的第二层。
所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，为了缓解应力集中，应使丢层尖端尽量薄，相邻丢层错开的距离不宜过大，即变厚度区斜倾斜角度不宜过大，一般不大于10°，即a≤10°。
所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，在主要载荷方向，最小5.1mm间距内丢层厚度不超过0.25mm。即每丢层段长度2u/m≥5.1mm、厚度2w/m≤5.1mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，仅用于说明本发明的技术方案而非限制，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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，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地介绍，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他的附图。
图1为变厚度段示意图；
图2为变厚度段有限元模型；
图3为变厚度段丢层案例有限元示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示为本发明流程图，包括以下步骤：
结构初始铺层为[45/-45/0/90/-45/90/45/90/0/90]s，确定复合材料结构补强后的纤维铺层如下表
如图1所示，所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，变厚度段分为u/2m段，每段丢两层，且这两层相对层合板中面对称。
如图2所示，具体来说，所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，以错开的方式丢层，即丢层间应互相间隔。
如图2所示，具体来说，所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，长度最短的丢层应在离层合板外表面最近的部位，即长度最短的丢层是增强区靠近外表面的第二层。
如图2与图3所示，具体来说，所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，为了缓解应力集中，应使丢层尖端尽量薄，相邻丢层错开的距离不宜过大，即变厚度区斜倾斜角度不宜过大，一般不大于10°，即a≤10°。
如图2与图3所示，具体来说，所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，在主要载荷方向，每5mm间距内丢两层厚度不超过0.05mm。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：明确复合材料结构脆弱部位的主传力方向及主传力方向上所需截面刚度和截面强度；
步骤二：确定复合材料单向板性能参数；
步骤三：根据步骤二得到的参数，利用MATLAB编制程序，确定增强区域所需增加铺层角度及各铺层角度数量。
步骤四：对目标增强区域进行丢层方案设计。
2.根据权利要求1所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，所述复合材料增设铺层数设计规则：
(1)主传力方向上的刚度满足Exnh＞Egx，其中Ex为主传力方向等效模量，n为铺层数，h为单层板厚度，Egx为所需截面模量；
(2)主传力方向上的强度满足σxnh＞σgx，其中σx为主传力方向等效强度，n为铺层数，h为单层板厚度，σgx为所需截面强度；
(3)次传力方向上的刚度满足Eynh＞Egy，其中Ey为次传力方向等效模量，n为铺层数，h为单层板厚度，Egy为次传力方向所需截面模量；
(4)次传力方向上的强度满足σynh＞σgy，其中σy为次传力方向等效强度，n为铺层数，h为单层板厚度，σgy为次传力方向所需截面强度；
(5)剪切方向上的刚度满足Exynh＞Egxy，其中Exy为剪切方向等效模量，n为铺层数，h为单层板厚度，Egxy为剪切方向所需截面模量；
(6)剪切方向上的强度满足σxynh＞σgxy，其中σxy为剪切方向等效强度，n为铺层数，h为单层板厚度，σgxy为剪切方向所需截面强度；
(7)铺层角度用0°、45°、-45°与90°四种铺层，且铺层应相对于板的中面对称布置，铺层的增减变化也应相对于中面对称。
3.根据权利要求1所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，变厚度段分为u/2m段，每段丢两层，且这两层相对层合板中面对称。
4.根据权利要求1所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，以错开的方式丢层，即丢层间应互相间隔。
5.根据权利要求1所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，长度最短的丢层应在离层合板外表面最近的部位，即长度最短的丢层是增强区靠近外表面的第二层。
6.根据权利要求1所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，为了缓解应力集中，应使丢层尖端尽量薄，相邻丢层错开的距离不宜过大，即变厚度区斜倾斜角度不宜过大，一般不大于10°，即a≤10°。
7.根据权利要求1所述的复合材料结构补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，在主要载荷方向，最小5.1mm间距内每丢一层厚度不超过0.25mm。即每丢层段长度2u/m≥5.1mm、厚度2w/m≤5.1mm。
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