CN113977981A - 一种薄壁筒形结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁筒形结构，该薄壁筒形结构包括至少两层纤维单层，每层纤维单层由至少一种纤维结合基体制成，且不同纤维的体积分数不同；各纤维单层依次堆叠，相邻两层纤维单层固定连接。本发明的薄壁筒形结构具有较好的力学性能，不易发生振动扭曲。
Description
技术领域
本发明属于材料与结构技术领域，特别涉及一种薄壁筒形结构。
背景技术
由于结构简单、受力合理、材料用量省、易加工等特点，薄壁圆筒广泛应用于生活乃至工程领域，薄壁圆筒虽然具有众多优点，但是存在容易发生振动扭曲的缺陷。针对该缺陷，现有提高薄壁圆筒抗振动性能的方法有两种：一种是增加薄壁圆筒的壁厚，但是增加壁厚必然会增加整体的重量，因此这种情况在某些领域是不可行的，例如航空航天领域；另一种是在薄壁圆筒中使用桁条结构，虽然在一定程度上可以提高其抗振动性能，但是桁条结构加工复杂，并且还会增加薄壁圆筒的布置空间。
传统的纤维复合材料制件采用单种纤维铺设形成纤维织物的方式制成，但该纤维复合材料制件在承受面内压缩和剪切作用时，容易发生振动扭曲变形。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种薄壁筒形结构，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提出一种薄壁筒形结构，所述薄壁筒形结构包括至少两层纤维单层，每层纤维单层由至少一种纤维结合基体制成，且不同纤维的体积分数不同；各纤维单层依次堆叠，相邻两层所述纤维单层固定连接。
进一步地，各所述纤维单层均由一种纤维制成，所述薄壁筒形结构由至少两层不同的所述纤维单层交替堆叠而成。
进一步地，各所述纤维单层均由至少两种纤维交错排列制成，所述薄壁筒形结构由至少两层相同的所述纤维单层错位堆叠而成。
进一步地，各所述纤维单层均由至少两种纤维交错排列制成，所述薄壁筒形结构由至少两层不同的所述纤维单层交替堆叠而成。
进一步地，各所述纤维单层中，不同纤维按照不同预设角度铺设。
进一步地，相邻两层所述纤维单层通过缝合线固定连接。
进一步地，相邻两层所述纤维单层通过粘合剂固定连接。
进一步地，所述基体为环氧树脂基体。
进一步地，所述纤维包括碳纤维、氧化铝纤维、玻璃纤维和碳化硅纤维。
本发明的优点及有益效果是：
本发明的薄壁筒形结构，包括至少两层纤维单层，每层纤维单层由至少一种纤维结合基体制成，且不同纤维的体积分数不同，这样薄壁筒形结构所使用纤维不少于两种，使薄壁筒形结构具有较好的力学性能，不易发生振动扭曲；并且，各纤维单层依次堆叠，相邻两层纤维单层固定连接，使薄壁筒形结构的抗振能力得到最大限度优化，从而使其在工程领域更好的实现轻量化设计。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的一个实施例中薄壁筒形结构的立体结构图；
图2为本发明的一个实施例中纤维单层堆叠结构示意图；
图3为本发明的一个实施例中薄壁筒形结构的径向截面图；
图4为本发明的一个实施例中层间混杂的薄壁筒形结构的局部截面图；
图5为本发明的一个实施例中交叉混杂的薄壁筒形结构的局部截面图；
图6为本发明的一个实施例中超级混杂的薄壁筒形结构的局部截面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
本发明的一个实施中提供一种薄壁筒形结构，如图1～图3所示，该薄壁筒形结构包括至少两层纤维单层，每层纤维单层由至少一种纤维结合基体制成，且不同纤维的体积分数不同；各纤维单层依次堆叠，各纤维单层依次堆叠，相邻两层纤维单层固定连接。本实施例的薄壁筒形结构为分层设计，相比于单层设计，其力学性能更好，可设计性也更强。另外，纤维单层的层数根据使用情况的需要进行调整，如果层数太多，虽然抗振能力更好，但是会增加薄壁筒形结构的重量，如果层数太少，薄壁筒形结构的抗振能力又会降低，不能满足使用需求。因此，可以合理选择纤维单层的层数，使薄壁筒形结构同时满足抗振能力和轻量化设计的要求。
薄壁筒形结构中的每层纤维单层由至少一种纤维结合基体制成，且不同纤维的体积分数不同，使薄壁筒形结构所使用纤维不少于两种，可根据各种纤维的特性，自由选择所使用纤维的种类，可通过纤维的选择，来提高薄壁筒形结构的刚性和强度；各纤维单层中，根据不同纤维的物理特性，使不同纤维的体积分数不同，进而更好的利用每种纤维的特性，使不同纤维之间协同配合，提高薄壁筒形结构整体的结构性能。
综上，本实施例的薄壁筒形结构，包括至少两层纤维单层，每层纤维单层由至少一种纤维结合基体制成，且不同纤维的体积分数不同，这样薄壁筒形结构所使用纤维不少于两种，使薄壁筒形结构具有较好的力学性能，不易发生振动扭曲；并且，各纤维单层依次堆叠，相邻两层纤维单层固定连接，使薄壁筒形结构的抗振能力得到最大限度优化，从而使其在工程领域更好的实现轻量化设计。
在一个实施例中，各纤维在薄壁筒形结构中以层间混杂的布置方式铺设。即各纤维单层均由一种纤维制成，薄壁筒形结构由至少两层不同的纤维单层交替堆叠而成。
具体地，每层纤维单层均由一种纤维结合基体制成，薄壁筒形结构包括至少两层不同的纤维单层，且这些不同的纤维单层交替堆叠。例如，如图4所示，薄壁筒形结构包括由SiC纤维结合基体(环氧树脂基体)制成的A层纤维单层和由碳纤维结合基体(环氧树脂基体)制成的B层纤维单层，A层和B层交替堆叠，即薄壁筒形结构的径向结构为A层/B层/A层/B层……。通过层间混杂的布置方式，使薄壁筒形结构中的各纤维在发挥自身纤维特性的同时，能更好地协同作用，提高薄壁筒形结构抗振动扭曲能力。
在一个实施例中，各纤维在薄壁筒形结构中以交叉混杂的布置方式铺设。即各纤维单层均由至少两种纤维交错排列制成，薄壁筒形结构由至少两层相同的纤维单层错位堆叠而成。
具体地，每层纤维单层均由至少两种纤维结合基体制成，每层纤维单层中的各纤维交错排列，薄壁筒形结构包括至少两层相同的纤维单层，且这些相同的纤维单层以一定的偏差角度错位堆叠。例如，如图5所示，每层纤维单层均由SiC纤维和碳纤维结合基体(环氧树脂基体)制成，纤维单层中SiC纤维和碳纤维交错排列(如：SiC纤维/碳纤维/SiC纤维/碳纤维)，各纤维单层堆叠时相互间错开一定的偏差角度。通过交叉混杂的布置方式，使薄壁筒形结构中的各纤维在发挥自身纤维特性的同时，能更好地协同作用，提高薄壁筒形结构抗振动扭曲能力。
在一个实施例中，各纤维在薄壁筒形结构中以超级混杂的布置方式铺设。即各纤维单层均由至少两种纤维交错排列制成，薄壁筒形结构由至少两层不同的纤维单层交替堆叠而成。
具体地，每层纤维单层均由至少两种纤维结合基体制成，每层纤维单层中的各纤维交错排列，薄壁筒形结构包括至少两层不同的纤维单层，且这些不同的纤维单层进行交替堆叠。例如，如图6所示，薄壁筒形结构包括由碳纤维和Al2O3纤维结合基体(环氧树脂基体)制成的C层纤维单层以及由SiC纤维和玻璃纤维结合基体(环氧树脂基体)制成的D层纤维单层，C层中碳纤维和Al2O3纤维交错排列，D层中SiC纤维和玻璃纤维交错排列，C层和D层交替堆叠。通过超级混杂的布置方式，使薄壁筒形结构中的各纤维在发挥自身纤维特性的同时，能更好地协同作用，提高薄壁筒形结构抗振动扭曲能力。
在薄壁筒形结构中，纤维可以通过层间混杂、交叉混杂和超级混杂中的一种布置方式铺设，当然，也可以通过两种或三种布置方式进行混合铺设，亦在本发明的保护范围之内。
在一个优选实施例中，各纤维单层中的不同纤维按照不同预设角度铺设，即各纤维根据自身的纤维特征确定其铺设角度，使其更好地发挥抗振作用。
在一个实施例中，相邻两层纤维单层通过缝合线固定连接。
在另一个实施例中，相邻两层纤维单层通过粘合剂固定连接。其中，粘合剂选择根据纤维单层中纤维的种类进行确定，进而使纤维单层间连接的更为牢固。
当然，相邻两层纤维单层的连接方式并不局限于上述两种，其他能实现相邻两层纤维单层间牢固连接的方式亦在本发明的保护范围内。
在一个具体实施例中，基体为环氧树脂基体。
本实施例中，纤维包括碳纤维、氧化铝纤维、玻璃纤维和碳化硅纤维。同样，纤维的选择种类并不局限于上述种类，可根据纤维的特性和成本对纤维进行选择，使其满足结构需要。
实施例1
本实施例中，如图6所示，薄壁筒形结构包括8层纤维单层，其中各纤维采用超级混杂的布置方式铺设，且各纤维的铺设方向为[0]8，薄壁筒形结构中的一层纤维单层由碳纤维和Al2O3纤维结合环氧树脂基体制成，薄壁筒形结构中的另一层纤维单层由玻璃纤维和SiC纤维结合环氧树脂基体制成。在ANSYS软件中进行仿真建模计算，薄壁筒形结构的整体尺寸为φ610×810mm，壁厚为t＝3.2mm，每层纤维单层的厚度均为0.4mm。薄壁筒形结构中各纤维与基体的材料参数如下表所示：
对薄壁筒形结构的其中一个自由末端进行完全固支，然后加载振动载荷，进行振动分析。通过ANSYS软件进行仿真建模中，把薄壁筒形结构的模型网格划分为长度方向为231个网格，直径方向为121个网格。薄壁筒形结构中各纤维体积分数(总体积分数包括纤维体积分数和基体体积分数)布置方法如下表所示：
| 纤维类型 | 玻璃纤维 | 碳纤维 | SiC纤维 | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>纤维 |
| 体积分数 | 0.09 | 0.16 | 0.14 | 0.08 |
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由8层均衡对称的直线纤维沿[0]8方向角铺设而成的碳纤维增强复合材料薄壁圆筒相比较，碳纤维增强复合材料薄壁圆筒中碳纤维的体积分数为0.5。比较如下表所示：
通过对比可以看出，薄壁圆筒结构的固有频率比碳纤维增强复合材料薄壁圆筒高，表明本实施例中的薄壁筒结构的抗振动性能显著强于普通单纤维的碳纤维增强复合材料薄壁圆筒。
实施例2
本实施例中，如图5所示，薄壁筒形结构包括8层纤维单层，其中各纤维采用交叉混杂的布置方式铺设，且各纤维的铺设方向为[0]8，薄壁筒形结构中各纤维单层均由SiC纤维和碳纤维结合环氧树脂基体制成。在ANSYS软件中进行仿真建模计算，薄壁筒形结构的整体尺寸为φ610×810mm，壁厚为t＝3.2mm，每层纤维单层的厚度均为0.4mm。
对薄壁筒形结构的其中一个自由末端进行完全固支，然后加载振动载荷，进行振动分析。通过ANSYS软件进行仿真建模中，把薄壁筒形结构的模型网格划分为长度方向为231个网格，直径方向为121个网格。薄壁筒形结构中各纤维体积分数(总体积分数包括纤维体积分数和基体体积分数)布置方法如下表所示：
| 纤维类型 | SiC纤维 | 碳纤维 |
| 体积分数 | 0.20 | 0.30 |
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由8层均衡对称的直线纤维沿[0]8方向角铺设而成的碳纤维增强复合材料薄壁圆筒相比较，碳纤维增强复合材料薄壁圆筒中碳纤维的体积分数为0.5。比较如下表所示：
通过对比可以看出，薄壁圆筒结构的固有频率比碳纤维增强复合材料薄壁圆筒高，表明本实施例中的薄壁筒结构的抗振动性能显著强于普通单纤维的碳纤维增强复合材料薄壁圆筒。
实施例3
本实施例中，如图4所示，薄壁筒形结构包括8层纤维单层，其中各纤维采用层间混杂的布置方式铺设，且各纤维的铺设方向为[0]8，薄壁筒形结构中的一层纤维单层由SiC纤维结合环氧树脂基体制成，薄壁筒形结构中的另一层纤维单层由碳纤维结合环氧树脂基体制成。在ANSYS软件中进行仿真建模计算，薄壁筒形结构的整体尺寸为φ610×810mm，壁厚为t＝3.2mm，每层纤维单层的厚度均为0.4mm。
对薄壁筒形结构的其中一个自由末端进行完全固支，然后加载振动载荷，进行振动分析。通过ANSYS软件进行仿真建模中，把薄壁筒形结构的模型网格划分为长度方向为231个网格，直径方向为121个网格。薄壁筒形结构中各纤维体积分数(总体积分数包括纤维体积分数和基体体积分数)布置方法如下表所示：
| 纤维类型 | SiC纤维 | 碳纤维 |
| 体积分数 | 0.20 | 0.30 |
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由8层均衡对称的直线纤维沿[0]8方向角铺设而成的碳纤维增强复合材料薄壁圆筒相比较，碳纤维增强复合材料薄壁圆筒中碳纤维的体积分数为0.5。比较如下表所示：
通过对比可以看出，薄壁圆筒结构的固有频率比碳纤维增强复合材料薄壁圆筒高，表明本实施例中的薄壁筒结构的抗振动性能显著强于普通单纤维的碳纤维增强复合材料薄壁圆筒。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种薄壁筒形结构，其特征在于，所述薄壁筒形结构包括至少两层纤维单层，每层纤维单层由至少一种纤维结合基体制成，且不同纤维的体积分数不同；各纤维单层依次堆叠，相邻两层所述纤维单层固定连接。
2.根据权利要求1所述的薄壁筒形结构，其特征在于，各所述纤维单层均由一种纤维制成，所述薄壁筒形结构由至少两层不同的所述纤维单层交替堆叠而成。
3.根据权利要求1所述的薄壁筒形结构，其特征在于，各所述纤维单层均由至少两种纤维交错排列制成，所述薄壁筒形结构由至少两层相同的所述纤维单层错位堆叠而成。
4.根据权利要求1所述的薄壁筒形结构，其特征在于，各所述纤维单层均由至少两种纤维交错排列制成，所述薄壁筒形结构由至少两层不同的所述纤维单层交替堆叠而成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的薄壁筒形结构，其特征在于，各所述纤维单层中，不同纤维按照不同预设角度铺设。
6.根据权利要求5所述的薄壁筒形结构，其特征在于，相邻两层所述纤维单层通过缝合线固定连接。
7.根据权利要求5所述的薄壁筒形结构，其特征在于，相邻两层所述纤维单层通过粘合剂固定连接。
8.根据权利要求1-4任一项所述的薄壁筒形结构，其特征在于，所述基体为环氧树脂基体。
9.根据权利要求1-4任一项所述的薄壁筒形结构，其特征在于，所述纤维包括碳纤维、氧化铝纤维、玻璃纤维和碳化硅纤维。
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Non-Patent Citations (1)
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