CN113500798A - 一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法 - Google Patents

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CN113500798A CN202110803980.9A CN202110803980A CN113500798A CN 113500798 A CN113500798 A CN 113500798A CN 202110803980 A CN202110803980 A CN 202110803980A CN 113500798 A CN113500798 A CN 113500798A
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Abstract

本发明提供一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，步骤如下：建立变刚度面板内纤维铺放变角度轨迹的数学模型，分析基于平面上自由曲线变角度轨迹的插补算法和丝束间距平移算法；建立夹芯板的三维数学模型，并对其进行受力情况分析，得到制件各个结点的主应力大小及分布情况；根据主应力的分布情况，建立面板表面的纤维变角度轨迹的数学模型，并构造插值曲线；以铺放角度为约束条件，以一阶屈曲载荷最大为目标函数，利用优化算法对铺放角度进行求解；设计芯子的空间结构，并通过优化算法对其几何参数进行优化；通过成型工艺，将面板与芯子进行共塑化成型，显著提高夹芯板的抗拉强度和结构性能，使得点阵夹芯板的整体性能增强且制备过程简单。

Description

一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法
技术领域
本发明涉及复合材料设计制造技术领域，尤其涉及一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法。
背景技术
与常规的纤维增强热固性复合材料相比，纤维增强热塑性材料具有轻质高强、保护期限长的优势，且热塑性复合材料可采用多种方法制造且加工时间短，更可再成型及修复，所以热塑性复合材料的应用越来越广泛。
变刚度层合板是采用纤维曲线铺放的方式，其同一层的铺层角度是连续变化的，铺层刚度也随着纤维角度的改变而变化，因此极大地提高了热塑性复合材料层合板的可设计性，可通过纤维铺设路劲的设计来改变结构刚度，进而提高热塑性复合材料层合板的力学性能。
复合材料点阵夹芯结构是为了满足工程结构轻型化和多功能化要求而设计出来的一种新型结构，现有复合材料制作的点阵夹芯板主要存在以下缺点：1)面板多为薄壁件，导致夹芯板极限承载能力较低；2)芯子常由嵌锁组装而成，其抗拉强度低；3)芯子拓扑结构单一，芯子部分单胞封闭，不易实现多功能性，且易造成水汽凝结，增加夹芯板重量，使其失效；4)夹芯板应力集中处刚度不易改变；5)面板和芯子连接多为粘接或焊接，导致连接处易发生面板和芯子之间的剥离失效；6)夹芯板边界力学性能差，受压易压溃失效。
发明内容
本发明公开的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，解决了现有复合材料点阵夹芯结构存在的问题，显著提高了夹芯板的抗拉强度和结构性能，使得点阵夹芯板的整体性能增强且制备过程简单。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明公开一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，包括以下步骤：
建立热塑性复合材料变刚度面板内纤维铺放变角度轨迹的数学模型，分析基于平面上自由曲线变角度轨迹的插补算法和丝束间距平移算法；
建立热塑性复合材料夹芯板的三维数学模型，并对其进行受力情况分析，得到制件各个结点的主应力大小及分布情况；
根据主应力的分布情况，建立热塑性复合材料变刚度面板表面的纤维变角度轨迹的数学模型，并构造插值曲线；
以铺放角度为约束条件，以一阶屈曲载荷最大为目标函数，利用优化算法对铺放角度进行求解；
设计热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的空间结构，并通过优化算法对其几何参数进行优化；
通过成型工艺，将热塑性复合材料变刚度面板与芯子进行共塑化成型。
进一步地，所述热塑性复合材料包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的至少一种。
进一步地，所述热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子由嵌条嵌锁组装，通过热压工艺熔融连接而成。
进一步地，通过优化算法对热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子进行几何参数优化的步骤包括：
选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量；
选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化目标；
采用遗传算法完成目标优化，并获取最优结构参数匹配。
进一步地，所述热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量包括嵌条厚度、矩形减重孔长度、矩形减重孔高度、十字头长度和嵌条数量。
进一步地，所述热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化目标包括最小体积和最小变形。
进一步地，热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化数学模型为：
Figure BDA0003165635240000031
其中，L为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的总长度，H为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的厚度，x为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量，x1为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子嵌条的厚度，x2为矩形减重孔的长度，x3为矩形减重孔的高度，x4为十字头的长度，x5为嵌条数量，f(x)为目标函数，f1(x)为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的一半体积，f2(x)为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的变形量系数。
进一步地，热塑性复合材料变刚度面板与芯子通过熔融方式共塑化成型。
有益技术效果：
1、本发明公开一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，包括以下步骤：建立热塑性复合材料变刚度面板内纤维铺放变角度轨迹的数学模型，分析基于平面上自由曲线变角度轨迹的插补算法和丝束间距平移算法；建立热塑性复合材料夹芯板的三维数学模型，并对其进行受力情况分析，得到制件各个结点的主应力大小及分布情况；根据主应力的分布情况，建立热塑性复合材料变刚度面板表面的纤维变角度轨迹的数学模型，并构造插值曲线；以铺放角度为约束条件，以一阶屈曲载荷最大为目标函数，利用优化算法对铺放角度进行求解；设计热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的空间结构，并通过优化算法对其几何参数进行优化；通过成型工艺，将热塑性复合材料变刚度面板与芯子进行共塑化成型，解决了现有复合材料点阵夹芯结构存在的问题，显著提高了夹芯板的抗拉强度和结构性能，使得点阵夹芯板的整体性能增强且制备过程简单；
2、本发明中，热塑性复合材料变刚度面板与芯子通过熔融方式实现共塑化成型，形成一个整体，使得成型出的夹芯板力学性能强且质量轻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法的步骤流程图；
图2为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的整体结构示意图；
图3为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法中热塑性复合材料变刚度面板的轨迹示意图；
图4为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法中GeneticAlgorithm-Ⅱ优化算法流程示意图；
图5为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法中变刚度面板铺层纤维角度示意图；
图6为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法中嵌条制备过程示意图；
图7为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法中下嵌条的结构示意图；
图8为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法中上嵌条的结构示意图；
图9为本发明所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法中芯子的结构示意图；
图10为实施例中芯子结构参数优化流程图；
图11为实施例中芯子受力横截面积示意图；
图12为实施例中芯子结构参数优化结果示意图；
图13为实施例中变刚度芯子结构示意图；
图14为实施例中垫块和芯子的关系示意图；
图15为面芯连接辅助装置组装过程示意图；
图16为面芯连接辅助装置总装及热压工艺示意图；
图17为热压工艺结束后面芯连接辅助装置拆解示意图。
其中，1-芯子，2-下变刚度面板，3-上变刚度面板，1-1-长方形热塑性复合材料板，1-2-水切割刀头，1-3-下嵌条，1-4-下嵌条嵌锁槽口，1-5-下嵌条矩形减重孔，1-6-上嵌条，1-7-上嵌条嵌锁槽口，1-8-上嵌条矩形减重孔，1-9-下嵌条嵌锁槽口和上嵌条嵌锁槽口上相互咬合处，1-10-下嵌条嵌锁槽口和上嵌条嵌锁槽口下相互咬合处，4-1-一号垫块，4-2-二号垫块，4-3-上模具板，4-4-下模具板，4-5-限位夹具。
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示出，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
本发明公开一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，可以了解的是热塑性复合材料变刚度夹芯结构包括下变刚度面板、上变刚度面板和芯子，芯子与下变刚度面板和上变刚度面板之间塑化成型连接，参见图1，该成型方法首先设计制备热塑性复合材料变刚度面板，然后设计夹芯板的芯子的空间结构，并基于Matlab选取优化算法对芯子结构的几何参数进行优化，以获得最优的结构参数匹配，并且考虑加工工艺性，再将其与变刚度面板进行整体仿真分析，分析其在实际工况中的受力情况，从而确定空间结构最优，利用已有设备制备热塑性复合材料芯子，通过热压连接工艺使变刚度面板与芯子熔融连接形成一体，制得一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构，该具体包括以下步骤：
S1：建立热塑性复合材料变刚度面板内纤维铺放变角度轨迹的数学模型，分析基于平面上自由曲线变角度轨迹的插补算法和丝束间距平移算法；
具体地，以实际制造工艺为目标，分析其在工艺生产上会出现的间隙或者重叠，优化纤维轨迹，将丝束宽度纳入考虑范围，以免出现纤维带褶皱或者纤维带架桥现象。必要时对丝束进行裁切，从而保证面板尽可能小的产生重叠或者间隙，符合制造工艺性的要求。
S2：建立热塑性复合材料夹芯板的三维数学模型，并对其进行受力情况分析，得到制件各个结点的主应力大小及分布情况；
具体地，对已经建模好的复合材料变刚度面板进行一阶屈曲载荷和静力分析，并且所受载荷为实际工况下的载荷，包括动载荷或静载荷，然后根据主应力的分布状况，得到变刚度面板的应力集中区域和主应力的方向。
S3：根据主应力的分布情况，建立热塑性复合材料变刚度面板表面的纤维变角度轨迹的数学模型，并构造插值曲线；
具体地，根据得到的应力集中区域和主应力分布情况，针对每个不同的区域，利用二次Bezier曲线或NURBS曲线法来进行纤维轨迹的优化，其纤维轨迹可由以下数学表达式来表现，一般用于线性变角度，其沿x方向上的轨迹变化函数为：
Figure BDA0003165635240000061
其在直角坐标系下的轨迹路线函数为：
Figure BDA0003165635240000062
当其纤维方向角沿x轴呈二次函数变化时，存在开口向上θ2(x)up和开口向下θ2(x)lp两种形式，推导出其θ(x)分别为：
Figure BDA0003165635240000071
Figure BDA0003165635240000072
当其纤维方向角沿x轴呈三次函数变化时，存在开口向下，推导出其θ(x)为：
Figure BDA0003165635240000073
从而得到最优的纤维轨迹，其中，θ(x)是变角度函数，其随着x的变化而变化，T0为纤维起始角度，T1为纤维终止角度，d为特征长度，可以推导出其在xy坐标下的曲线函数，在y(x)里，a为特征长度，其他同上所述。
在Abaqus中将得到的纤维轨迹按照单元中心点的坐标带入计算，并且逐个赋予单元纤维角度，使得其在整个热塑性复合材料变刚度面板上的轨迹为变角度轨迹，从而提高其在仿真模拟结果上的准确性。
54：以铺放角度为约束条件，以一阶屈曲载荷最大为目标函数，利用优化算法对铺放角度进行求解；
具体地，参照图4-5，为了使层合板的性能达到最佳，对层合板丝束角度进行优化，以铺放角度为约束条件、以一阶屈曲载荷最大为目标函数，T0取值范围为(0°，90°)，T1取值范围为(0°，90°)，将约束条件带入目标函数，在本发明中，目标函数如下：
f(x，y)＝p00+p10*x+p01*y+p20*x2+p11*x*y+p02*y2+p30*x3+p21*x2*y+p12*x*y2+p03*y3+p40*x4+p31*x3*y+p22*x2*y2+p13*x*y3+p04*y4+p50*x5+p41*x4*y+p32*x3*y2+p23*x2*y3+p14*x*y4+p05*y5.
其中，f(x，y)为一阶屈曲载荷值，x，y分别是T0和T1，在本发明中，p00＝56.01，p10＝1.666，p01＝0.8614，p20＝-0.09286，p11＝-0.05822，p02＝0.003894，p30＝0.002062，p21＝0.001992，p12＝0.0007803，p03＝-0.0002369，p40＝-1.94e-05，p31＝-2.274e-05，p22＝-1.696e-05，p13＝-4.219e-06，p04＝1.158e-06，p50＝6.566e-08，p41＝7.891e-08，p32＝7.771e-08，p23＝5.992e-08，p14＝2.783e-09，p05＝-1.785e-10.
采用Genetic Algorithm-Ⅱ优化算法，对铺放角度进行求解，最终得到最优铺放角度：
fmax(56.29,48.11)＝89.7762(N/mm)
故在T0和T1分别取56.29和48.11时，使得层合板的一阶屈曲载荷达到最大值。
S5：设计热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的空间结构，并通过优化算法对其几何参数进行优化；
具体地，参照图6-图12，设计夹芯板的芯子的空间结构，并且考虑其加工工艺性，基于Matlab选取优化算法对芯子结构的几何参数进行优化，以获得最优的结构参数匹配，然后将其与变刚度面板进行整体仿真分析，分析其在实际工况中的受力情况，从而确定芯子最优空间结构；通过优化算法对热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子进行几何参数优化的步骤包括：
S51：选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量；
根据所需的夹芯板尺寸，考虑尽量保证芯子结构的完整来提高结构的稳定性，选择最小边边长尺寸作为优化模型边长尺寸，为了简化优化模型，提高收敛性，选择的优化模型的长度和宽度相同，进而所需夹芯板的总体可看作是由多个该正方形截面优化模型组成，本实施例以x1嵌条的厚度、x2、x3矩形减重孔的长度和高度、x4十字头长度、x5嵌条的数量为设计变量。
S52：选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化目标；
具体地，选取最小体积和最小变形(最大刚度)为优化目标。
S53：采用遗传算法完成目标优化，并获取最优结构参数匹配。
[1]具体地，采用第二代非支配遗传算法(NSGA-II)完成多目标优化，优化后得Pareto最优解，以获得最优的结构参数匹配，使其呈现更轻质量、更高刚度，将芯子的体积和变形系数作为优化目标函数，优化数学模型为:
Figure BDA0003165635240000091
式中：L是芯子总体长度，H是芯子厚度；x为设计变量，x1为嵌条的厚度，x2、x3为矩形减重孔的长度和高度，x4为十字头长度，x5为嵌条的数量，f(x)为目标函数，f1(x)为芯子的一半体积，f2(x)为芯子的变形量系数，不等式约束为芯子的体积约束，等式约束为芯子长度约束，其余约束为变量x上下限约束。
较优地，f2(x)＝a函数求解过程如下：
由
Figure BDA0003165635240000092
得
Figure BDA0003165635240000093
Figure BDA0003165635240000094
式中：令芯子高度方向为x方向，P是x方向均布载荷，A是x方向芯子受力横截面积，A1、A2如图10所示，σx为正应力，εx为x方向应变，E为芯子材料弹性模量，AL为位移量。
目标函数含有的参变量较多，参数取值范围难于界定，一般的算法难以找到模型最优解，可以借助遗传算法实现对参数最优解的搜寻，采用第二代非支配遗传算法(NSGA-II)来进行优化设计，为获得准确度更高的优化解，参数设定为最优前端个体系数0.5，种群大小10，，最大进化代数300，停止代数400，选取L为160mm，H为15mm，一组芯子结构参数优化结果如图12所示，通常，优化问题的目标函数之间相互冲突，而无法得到一组优化结果使其同时达到最优，因此根据实际情况对最优解进行选取，如无要求，以牺牲减重相关参数x3(矩形减重孔的长度)，对x5(嵌条数目)进行调整，来达到保证夹芯结构力学性能的基础上减少重量的目的。
S6：通过成型工艺，将热塑性复合材料变刚度面板与芯子进行共塑化成型。
具体地，以热塑性复合材料为原材料，在模具中铺放预浸料，成型后制备出长方形热塑性复合材料板1-1，沿长方形热塑性复合材料板1-1高度方向用水切割的方法切割出若干嵌条，所述嵌条包含矩形槽口和矩形减重孔；把若干数量嵌条分为下嵌条1-3和上嵌条1-6，下嵌条嵌锁槽口1-4的槽深为下嵌条1-3高度的二分之一，上嵌条嵌锁槽口1-7的槽深为上嵌条1-6高度的二分之一，下嵌条嵌锁槽口1-4和上嵌条嵌锁槽口1-7沿宽度方向为通槽；若干个下嵌条1-3的下嵌条嵌锁槽口1-4和上嵌条1-6的上嵌条嵌锁槽口1-7相互咬合形成芯子1。
在对面板和芯子热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面；在热压机下面板上放好下模具板4-4，在下模具板4-4上依次垒加放上下变刚度面板2和芯子1；通过芯子间的空隙依次把一号垫块4-1放入上嵌条矩形减重孔1-8中，二号垫块4-2从下嵌条矩形减重孔1-5中放在一号垫块4-1上；所述一号垫块4-1是连续的长方体，它的横截面与上嵌条矩形减重孔1-8相同，其左、右侧面分别与芯子1的侧面位于同一平面，二号垫块4-2为长方体，它的宽度和下嵌条矩形减重孔1-5的宽度相同，其上平面与芯子1的上平面位于同一平面，其左、右侧面分别与芯子1的侧面位于同一平面。所述一号垫块4-1、二号垫块4-2为钢制垫块；将上变刚度面板3放在芯子1上，将上模具板4-3放在上变刚度面板3上；在二号垫块4-2外侧面加上限位夹具4-5，并拧紧螺母。所述上模具板4-3的上平面高于限位夹具4-5的上平面；热压机加温加压。温度设定在380-400℃之间，升至设定温度后，保温5-10min，随后在保压状态下自然冷却至室温；先拆限位夹具4-5，取出上模具板4-3，接着依次敲出二号垫块4-2、一号垫块4-1，取出下模具板4-4，得到一种热塑性复合材料变刚度夹芯板。
本实施方式不需要一步制备成复杂的点阵芯子，先制备出简单构型的长方形热塑性复合材料板，利用在长方形热塑性复合材料板上整体切割的方法制备嵌条，并对长方形热塑性复合材料板进行去孔操作，达到减轻重量和使芯子四面通透进而避免水汽凝结的目的，其制备过程简单，增强了嵌锁工艺的可操作性，降低了点阵芯子的制备成本，易于批量化生产。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立热塑性复合材料变刚度面板内纤维铺放变角度轨迹的数学模型，分析基于平面上自由曲线变角度轨迹的插补算法和丝束间距平移算法；
建立热塑性复合材料夹芯板的三维数学模型，并对其进行受力情况分析，得到制件各个结点的主应力大小及分布情况；
根据主应力的分布情况，建立热塑性复合材料变刚度面板表面的纤维变角度轨迹的数学模型，并构造插值曲线；
以铺放角度为约束条件，以一阶屈曲载荷最大为目标函数，利用优化算法对铺放角度进行求解；
设计热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的空间结构，并通过优化算法对其几何参数进行优化；
通过成型工艺，将热塑性复合材料变刚度面板与芯子进行共塑化成型。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，所述热塑性复合材料包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，所述热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子由嵌条嵌锁组装，通过热压工艺熔融连接而成。
4.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，通过优化算法对热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子进行几何参数优化的步骤包括：
选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量；
选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化目标；
采用遗传算法完成目标优化，并获取最优结构参数匹配。
5.根据权利要求4所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，所述热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量包括嵌条厚度、矩形减重孔长度、矩形减重孔高度、十字头长度和嵌条数量。
6.根据权利要求4所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，所述热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化目标包括最小体积和最小变形。
7.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化数学模型为：
Figure FDA0003165635230000021
其中，L为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的总长度，H为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的厚度，x为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量，x1为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子嵌条的厚度，x2为矩形减重孔的长度，x3为矩形减重孔的高度，x4为十字头的长度，x5为嵌条数量，f(x)为目标函数，f1(x)为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的一半体积，f2(x)为热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的变形量系数。
8.根据权利要求所述的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，其特征在于，热塑性复合材料变刚度面板与芯子通过熔融方式实现共塑化成型。
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