CN116080249A - 一种复合材料层合反射面板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种复合材料层合反射面板及其制备方法。本发明提出的利用小块铺片拼接和铺层制备得到的复合材料层合反射面板，可以是抛物面、球面以及任意不规则赋形曲面。制备得到的复合材料层合反射面板，在任意区域内面内具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯‑扭耦合效应最小，且任意区域内具有准零膨胀特性。本发明所提出的制备方法应用于制备复合材料固面反射器的反射面板时，可以使其在固化成型以及在轨温度交变情况下，均可保证较高的几何精度，具有显著应用前景。

Description

一种复合材料层合反射面板及其制备方法
技术领域
本发明涉及反射器的制造领域，尤其涉及一种复合材料层合反射面板及其制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有轻质、高比刚度、尺寸稳定、耐腐蚀等特点，属于典型的高性能材料，用来代替金属材料制造天线反射器结构，不仅可以降低因环境温度变化导致的天线系统精度变化，而且可有效的减小天线反射器结构的系统质量，提高天线系统的可靠性，延长使用寿命，具有显著的应用前景。目前，利用碳纤维复合材料制造的反射器结构的反射面板多为铝蜂窝夹层结构。该结构由碳纤维复合材料蒙皮、胶膜层和金属铝蜂窝三者共固化一体成型。但由于碳纤维复合材料蒙皮、胶膜层和金属铝蜂窝三者共固化时，存在材料热变形不匹配的问题。因此，利用铝蜂窝夹层结构作为反射器的反射面板，最终制作的反射器整体型面精度较差。
复合材料层合板的宏观力学性能直接由其铺层方式决定。如果不进行层合板的铺层设计，可能会使得最终固化成型的复合材料层合板在拉-剪、弯-扭或拉-弯等耦合作用下，产生翘曲，进而影响产品的制造精度。此外，如果不进行层合板的特殊铺层优化，会导致层合板的面内刚度以及面外刚度存在各向异性的特征。对于各向异性层合板结构承受外部载荷作用时，如空间热载荷或其他机械载荷等，将会出现复杂的非均匀变形特性以及破坏机理。
目前，基于传统的复合材料层合板理论，存在一些针对平面层合板结构通过铺层设计实现准各向同性与准零膨胀的方法。天线反射器的反射面板多为抛物面、球面以及任意不规则赋形曲面。针对任意曲面复合材料层合反射面板，通过铺层方式的设计实现其任意曲面区域内的基本均质同性且准零膨胀的铺层方法未见相关报道。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种复合材料层合反射面板及其制备方法。本发明提出的利用小块铺片拼接和铺层制备得到的复合材料层合反射面板，可以是抛物面、球面以及任意不规则赋形曲面。制备得到的复合材料层合反射面板，在任意区域内面内具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小，且任意区域内具有准零膨胀特性。本发明所提出的制备方法应用于制备复合材料固面反射器的反射面板时，可以使其在固化成型及在轨温度交变情况下，均可保证较高的几何精度，具有显著应用前景。
本发明一方面，提供一种复合材料层合反射面板的制备方法，其包括以下步骤：确定复合材料层合反射面板的铺层方式，所述铺层方式包括铺层角度和铺层顺序；确定小块铺片的形状；根据小块铺片的形状，确定每层的小块铺片的拼接铺贴方式；确定任意两层的小块铺片的拼接铺贴组合方式，保证拼接铺贴方式不同的铺层的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；确定每层的小块铺片的铺层方向，其中所述复合材料层合反射面板包含至少四层铺层，且同一层内包含至少两种不同的小块铺片的铺层方向的铺层的数目至少为四层；根据所确定的每层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层的小块铺片的铺层方向，采用单向连续纤维增强预浸料制备小块铺片；根据每层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层的小块铺片的铺层方向，将所述小块铺片拼接铺贴，形成具有任意预设曲面几何形状的铺层；根据任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式，在已完成拼接铺贴的铺层上按照预设的小块铺片拼接铺贴方式和小块铺片的铺层方向，拼接铺贴小块铺片；完成预设层数的铺贴，得到具有任意预设曲面几何形状的层合结构，对所得到的层合结构进行固化，制得任意区域内面内具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小，且任意区域内具有准零膨胀特性的复合材料层合反射面板。
优选地，上述制备方法中，复合材料层合反射面板的半厚度铺层为 [Θ]＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(p)]，则复合材料层合反射面板的完整铺层为： [Θ]s＝[θ(1)，θ(2)，...，θ(p-1),θ(p)，θ(p+1)，θ(p+2)，...,θ(2p-1),θ(2p)]，完整铺层[Θ]s为半厚度铺层[Θ]的对称集，其中，复合材料层合反射面板的第i层的铺层角度为θ(i)，1≤i≤2p，且i为整数，铺层顺序为第一层至第2p层依次堆叠铺层，第i层与第2p-i+1层互为对称层，互为对称层的两层铺层的铺层角度相同，且两层中的小块铺片的铺层方向、小块铺片的形状和小块铺片拼接铺贴方式均相同。
优选地，上述制备方法中，复合材料层合反射面板的半厚度内，任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式中，铺层角度分别为θ(i)和θ(k)，若|θ(i)|≠|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式不同，并且两层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；若|θ(i)|＝|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式相同，并且两层的小块铺片拼缝线重合；另外，当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度分别为0°与90°的两层铺层中的小块铺片的拼接铺贴方式相同；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的拼接铺贴方式任意且该层小块铺片可以覆盖相邻铺层的小块铺片的拼缝线或该层小块铺片的拼缝线可以被相邻铺层小块铺片所覆盖。
优选地，上述制备方法中，所述小块铺片为任意多边形形状或任意曲边形形状。优选地，上述制备方法中，对于每层铺层内的小块铺片的铺层方向，实现铺层方向轮换；同一铺层内，相邻小块铺片的铺层方向对应的铺层角绝对值相同且符号相反，相间小块铺片的铺层方向对应的铺层角相同；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层中与铺层角为0°的小块铺片相邻的小块铺片的铺层角为90°，与铺层角为 0°的小块铺片相间的小块铺片的铺层角为0°；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的铺层方向对应的铺层角均为0°，不进行铺层方向轮换。复合材料层合反射面板的半厚度内，任一铺层角度为+|θ(i)|的铺层内不进行小块铺片的铺层方向轮换，则铺层角度为-|θ(i)|的铺层内也不进行小块铺片的铺层方向轮换。当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，若铺层角度为0°的铺层的小块铺片铺层方向不进行轮换，则铺层角度为90°的铺层的小块铺片铺层方向也不进行轮换。复合材料层合反射面板的半厚度铺层内最多包含两层小块铺片的铺层方向不轮换的铺层。
优选地，上述制备方法中，复合材料层合反射面板的半厚度铺层选自备选集{Θ}，所述备选集{Θ}由基本角度集θ的每个元素经过q≥1次复制后，得到的所有元素的全排列组成。
优选地，上述制备方法中，复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure BDA0003341030210000031
r＝1,2,...，其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000032
r＝1,2,...的对称集，且半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000041
r＝1,2,...中，任意相邻两层铺层的铺层角度的绝对值不相等。
优选地，上述制备方法中，复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure BDA0003341030210000042
r＝1,2,...，其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000043
r＝1,2,...的对称集，半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000044
r＝1,2,..，.由下述步骤获得：分别以备选集{Θ}中的所有元素 [Θr]，r＝1,2,..，.的对称集[Θr]s，r＝1,2,...进行铺层，得到复合材料层合面板的刚度矩阵[K]，
Figure BDA0003341030210000045
利用得到的刚度矩阵[K]通过下述优化目标函数进行优化，
Figure BDA0003341030210000046
或
Figure BDA0003341030210000047
以优化得到的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000048
r＝1,2,...或半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000049
r＝1,2,...作为半厚度铺层
Figure BDA00033410302100000410
r＝1,2,...。
优选地，上述制备方法中，所述基本角度集θ的任意元素θ(k)，满足-π/2＜θ(k)≤π/2，其中，k＝1,2,...,N，N≥2，N为整数，
当N＝2时，所述基本角度集为
Figure BDA00033410302100000411
另外，当N＝2n且n≥2n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n)]，且
Figure BDA00033410302100000412
另外，当N＝2n-1且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n-1)]，且：
Figure BDA0003341030210000051
本发明的另一方面，还提供一种复合材料层合反射面板，所述复合材料层合反射面板具有任意预设的曲面几何形状，其包括：至少一块单向连续纤维增强预浸料制备得到的小块铺片，至少四层由所述小块铺片按照预设的铺层方向和拼接铺贴方式拼接得到的铺层，其中同一层内包含至少两种不同的小块铺片的铺层方向的铺层的数目至少为四层，任意两层铺层具有预设的小块铺片拼接铺贴组合方式，保证拼接铺贴方式不同的铺层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；任意铺层区域具有对称均衡的铺层方式且具备准零膨胀特性；任意铺层区域满足面内具备准各向同性特性，或面内与面外均具备准各向同性特性，或面内与面外均具备准各向同性特性且弯-扭耦合效应最小。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板的半厚度铺层为[Θ]＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(p)]，则复合材料层合反射面板的完整铺层为： [Θ]s＝[θ(1)，θ(2)，...，θ(p-1),θ(p)，θ(p+1)，θ(p+2)，...,θ(2p-1),θ(2p)]，完整铺层[Θ]s为半厚度铺层[Θ]的对称集，其中，复合材料层合反射面板的第i层的铺层角度为θ(i)，1≤i≤2p，且i为整数，铺层顺序为第一层至第2p层依次堆叠铺层，第i层与第2p-i+1层互为对称层，互为对称层的两层铺层的铺层角度相同，且两层中的小块铺片的铺层方向、小块铺片的形状和小块铺片拼接铺贴方式均相同。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板的半厚度内，任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式中，铺层角度分别为θ(i)和θ(k)，若|θ(i)|≠|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式不同，并且两层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；若|θ(i)|＝|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式相同，并且两层的小块铺片拼缝线重合；另外，当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度分别为0°与90°的两层铺层中的小块铺片的拼接铺贴方式相同；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的拼接铺贴方式任意且该层小块铺片可以覆盖相邻铺层的小块铺片的拼缝线或该层小块铺片的拼缝线可以被相邻铺层小块铺片所覆盖。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，所述小块铺片为任意多边形形状或任意曲边形形状。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，对于每层的小块铺片的铺层方向，实现铺层方向轮换；同一层内，相邻小块铺片的铺层方向对应的铺层角绝对值相同且符号相反，相间小块铺片的铺层方向对应的铺层角相同；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层中与铺层角为0°的小块铺片相邻的小块铺片的铺层角为90°，与铺层角为0°的小块铺片相间的小块铺片的铺层角为0°；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的铺层方向对应的铺层角均为0°，不进行铺层方向轮换。复合材料层合反射面板的半厚度内，任一铺层角度为+|θ(i)|的铺层内不进行小块铺片的铺层方向轮换，则铺层角度为-|θ(i)|的铺层内也不进行小块铺片的铺层方向轮换。当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，若铺层角度为0°的铺层的小块铺片铺层方向不进行轮换，则铺层角度为90°的铺层的小块铺片铺层方向也不进行轮换。复合材料层合反射面板的半厚度铺层内最多包含两层小块铺片的铺层方向不轮换的铺层。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板的半厚度铺层选自备选集{Θ}，所述备选集{Θ}由基本角度集θ的每个元素经过q≥1次复制后，得到的所有元素的全排列组成。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure BDA0003341030210000061
r＝1,2,...，其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000062
r＝1,2,...的对称集，且半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000063
r＝1,2,...中，任意相邻两层的铺层角度的绝对值不相等。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure BDA0003341030210000064
r＝1,2,...，其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000065
r＝1,2,...的对称集，所述半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000066
r＝1,2,...为由备选集{Θ}中的所有元素[Θr]，r＝1,2,...，的对称集 [Θr]s进行铺层，得到复合材料层合面板的刚度矩阵[K]，
Figure BDA0003341030210000071
按照下述优化目标函数进行优化，
Figure BDA0003341030210000072
或
Figure BDA0003341030210000073
所获取的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000074
r＝1,2,...或半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000075
r＝1,2,...。
优选地，上述复合材料层合反射面板中，所所述基本角度集θ的任意元素θ(k)，满足-π/2＜θ(k)≤π/2，其中，k＝1,2,...,N，N≥2，N为整数，
当N＝2时，所述基本角度集为
Figure BDA0003341030210000076
另外，当N＝2n且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n)]，且
Figure BDA0003341030210000077
另外，当N＝2n-1且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n-1)]，且
Figure BDA0003341030210000078
采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.采用小块铺层所制备得到的复合材料层合反射面板，可以是抛物面、球面以及任意不规则赋形曲面；
2.通过设定特定的铺层角度和铺层方式，可以保证所制备的复合材料层合反射面板在任意区域内面内具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小，且任意区域内具有准零膨胀特性；
3.本发明先借助于成熟的CAE软件或曲面展平软件，通过模拟计算等，获得复合材料层合反射面板各层的小块铺片的图形，然后利用单向连续纤维增强预浸料制备小块铺片，并根据预设的铺层角度和铺层方式完成拼接铺贴得到具有任意曲面几何形状的复合材料层合反射面板，操作方法简单，易于实现。
附图说明
图1a显示了符合本发明一优选实施例的基本铺片方式：口字形0°；
图1b显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片方式：田字形0°；
图1c显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片方式：田字形45°；
图2a显示了符合本发明一优选实施例的基本铺片组合方式：小口-大口0°；
图2b显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片组合方式：小口-大口45°；
图2c显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片组合方式：小田-大田45°；
图2d显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片组合方式：小口-大田0°；
图2e显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片组合方式：大口-小田0°；
图2f显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片组合方式：小口-大田45°；
图2g显示了符合本发明另一优选实施例的基本铺片组合方式：大口-小田45°；
图3a显示了符合本发明一优选实施例的任意铺层角度绝对值不等的两层的拼接铺贴组合方式：基于图2f；
图3b显示了符合本发明另一优选实施例的任意铺层角度绝对值不等的两层的拼接铺贴组合方式：基于图2c；
图3c显示了符合本发明另一优选实施例的任意铺层角度绝对值不等的两层的拼接铺贴组合方式：基于图2b；
图4a显示了符合本发明一优选实施例的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：基于图2f与图1b；对应复合材料层合反射面板的半厚度铺层为：[-60°/0°/60°]。
图4b显示了符合本发明另一优选实施例的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：基于图2f与图1a；对应复合材料层合反射面板的半厚度铺层为：[-60°/0°/60°]。
图4c显示了符合本发明另一优选实施例的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：基于图2b与图1a；对应复合材料层合反射面板的半厚度铺层为：[-60°/0°/60°]。
图4d显示了符合本发明另一优选实施例的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：基于图2f与图1b；对应复合材料层合反射面板的半厚度铺层为：[0°/45°/90°/-45°]。
图4e显示了符合本发明另一优选实施例的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：基于图2f与图1c；对应复合材料层合反射面板的半厚度铺层为：[-45°/0°/90°/45°]。
图4f显示了符合本发明另一优选实施例的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：基于图2f、2c与图1c；对应复合材料层合反射面板的半厚度铺层为：[-45°/0°/-67.5°/67.5°/90°/-22.5°/22.5°/45°]。
图5显示了符合本发明一优选实施例的八层复合材料层合反射面板的各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：[0°/45°/90°/-45°]s。
图6显示了符合本发明另一优选实施例的八层复合材料层合反射面板的各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向：[-45°/90°/0°/45°]s。
图7显示了复合材料层合面板的铺层优选实例。
附图标记：
120-基本铺片单元；130-铺层坐标系；140-铺片拼缝线；141-拼接铺贴图形；142-边缘小块铺片；150-铺片铺层方向。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
本发明一方面提供一种复合材料层合反射面板的制备方法，该复合材料层合反射面板由单向连续纤维增强预浸料制备得到的小块铺片按照预设的铺层方向和拼接铺贴方式进行拼接铺贴，形成具有任意预设的曲面几何形状复合材料层合反射面板。依照以下制备方法，制备得到复合材料层合反射面板在任意区域内，具有准零膨胀特性；同时，在任意区域内具有面内准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小。
复合材料层合反射面板的预设几何形状为抛物面、球面或任意赋形曲面。对所述复合材料层合反射面板直接利用大面积单向连续纤维增强预浸料进行铺层必然会产生皱曲，无法得到表面光滑且高精度复合材料层合反射面板，进而影响反射器的力学性能及功能性。直接利用小块拼接铺贴无法保证复合材料层合反射面板在任意区域内的基本均质同性和准零膨胀特性。
本发明一方面提供一种复合材料层合反射面板的制备方法，具体步骤如下：
(1)确定复合材料层合反射面板的铺层方式
确定复合材料层合反射面板的铺层方式，包括确定各铺层的铺层角度和铺层顺序。本实施例的复合材料层合反射面板是通过铺层形成的具有任意预设曲面几何形状的层合结构，此层合结构经过固化得到的复合材料层合面板。优选地，本实施例的复合材料层合反射面板包含至少四层铺层，且同一层内包含至少两种不同的小块铺片的铺层方向的铺层的数目至少为四层，从而使得制备得到复合材料层合反射面板在任意区域内面内具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小，且任意区域内具有准零膨胀特性。为了说明本实施例的以上优势及其可实现性，本实施还提供具体的铺层示例如下：
复合材料层合反射面板的半厚度铺层(所述的“半厚度铺层”为组成了所有铺层的厚度的一半的铺层)为[Θ]＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(p)]，则复合材料层合反射面板的完整铺层为：
[Θ]s＝[θ(1)，θ(2)，...，θ(p-1),θ(p)，θ(p+1)，θ(p+2)，...,θ(2p-1),θ(2p)]，完整铺层[Θ]s为半厚度铺层[Θ]的对称集。其中，复合材料层合反射面板的第i层的铺层角度为θ(i)，1≤i≤2p，且i为整数，铺层顺序为第一层至第2p层依次堆叠铺层，第i层与第2p-i+1层互为对称层，互为对称层的两层铺层的铺层角度相同，且两层铺层中的小块铺片的铺层方向、小块铺片的形状和小块铺片拼接铺贴方式均相同。
本实施例的基本角度集θ的任意元素θ(k)，满足-π/2＜θ(k)≤π/2，其中，k＝1,2,...,N， N≥2，N为整数，
当N＝2时，所述基本角度集为
Figure BDA0003341030210000101
另外，当N＝2n且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n)]，且
Figure BDA0003341030210000102
另外，当N＝2n-1且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n-1)]，且
Figure BDA0003341030210000111
复合材料层合反射面板的半厚度铺层选自备选集{Θ}，所述备选集{Θ}由基本角度集θ的每个元素经过q≥1次复制后，得到的所有元素的全排列组成。
优选地，复合材料层合反射面板任意区域内的铺层可以为
Figure BDA0003341030210000112
r＝1,2,...，其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000113
r＝1,2,...的对称集，且半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000114
r＝1,2,...中，任意相邻两层的铺层角度的绝对值不相等。此时得到的复合材料层合反射面板任意区域内具有面内准各向同性特性，且复合材料层合反射面板的半厚度内任意两层铺片可以实现相邻两层铺层的拼缝相互覆盖或其中一层的铺层的拼缝线可以被另一层的铺层的拼缝线部分覆盖。复合材料层合反射面板的铺层定义为
Figure BDA0003341030210000115
r＝1,2,... 的任意一个固定铺层，符合要求的复合材料层合反射面板的铺层优选实例参见图7中表 1。
优选地，可以对复合材料层合反射面板的铺层进行优化，以获得优选的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000116
r＝1,2,...，并将该半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000117
r＝1,2,...的对称集
Figure BDA0003341030210000118
r＝1,2,...作为复合材料层合反射面板任意区域内的铺层。具体优化方法可以包括，按照备选集{Θ}中的所有元素[Θr]，r＝1,2,...的对称集[Θr]s进行铺层，计算得到的复合材料层合面板的刚度矩阵[K]，
Figure BDA0003341030210000119
利用得到的刚度矩阵[K]通过下述优化目标函数进行优化，
Figure BDA00033410302100001110
或
Figure BDA0003341030210000121
由优化目标函数Fun1([Θr])获取的优选半厚度铺层为
Figure BDA0003341030210000122
r＝1,2,...，以其对称集
Figure BDA0003341030210000129
r＝1,2,...的任意一个固定铺层作为复合材料层合反射面板的铺层，依照本专利复合材料层合反射面板的制备方法，制得的复合材料层合反射面板在任意区域内，其面内与面外均具有准各向同性特性。由优化目标函数Fun2([Θr])获取的优选半厚度铺层方式为
Figure BDA0003341030210000123
r＝1,2,...，以其对称集
Figure BDA0003341030210000124
r＝1,2,...的任意一个固定铺层作为复合材料层合反射面板的铺层，依照本专利复合材料层合反射面板的制备方法，制得的复合材料层合反射面板在任意区域内，其面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小。基于上述优化结果，优选地，复合材料层合反射面板的铺层可选自
Figure BDA0003341030210000125
r＝1,2,... 的任意一个固定铺层，
Figure BDA0003341030210000126
r＝1,2,...可以为
Figure BDA0003341030210000127
r＝1,2,...或
Figure BDA0003341030210000128
r＝1,2,...。符合要求的复合材料层合反射面板的铺层优选实例参图7中表2。
(2)确定复合材料层合反射面板中每层的小块铺片的拼接铺贴方式
确定每层的小块铺片的形状，根据小块铺片的形状，确定每层的小块铺片的拼接铺贴方式。
首先，确定复合材料层合反射面板的铺层坐标系。以该铺层坐标系为参考，确定各层的小块铺片的拼接铺贴方式，确定任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式以及确定各层小块铺片的铺层方向。
若复合材料层合反射面板的边缘曲线为平面曲线，则该复合材料层合反射面板的边缘曲线所在的平面即为复合材料层合反射面板的铺片剖分工作面；若复合材料层合反射面板的边缘曲线为空间非平面曲线，则在该复合材料层合反射面板的边缘曲线布设一定密度的离散点，这些离散点的最佳拟合平面即为复合材料层合反射面板的铺片剖分工作面。
将复合材料层合反射面板的边缘曲线沿该复合材料层合反射面板的铺片剖分工作面的平面法向投影至该复合材料层合反射面板的铺片剖分工作面上。若此投影曲线为规则的圆形、椭圆形或正多边形，则以此投影曲线的几何中心为该复合材料层合反射面板的铺层坐标系的原点；若此投影曲线为非规则曲线，则利用规则曲线，如圆形、椭圆形或正多边形对此投影曲线上布设的离散点进行最佳曲线拟合，利用此最佳拟合曲线的几何中心作为此类复合材料层合反射面板的铺层坐标系的原点；或利用此投影曲线的几何中心作为此类复合材料层合反射面板的铺层坐标系的原点。该复合材料层合反射面板的铺片剖分工作面内的任意一个方向为X-轴，基于右手准侧，与其垂直的方向定义为Y- 轴，铺片剖分工作面的法向为Z-轴建立复合材料层合反射面板的铺层坐标系130。
然后，确定每层的小块铺片的形状及每层中小块铺片的拼接铺贴方式。
特别地，小块铺片作为复合材料层合反射面板各层内的最小单元，本文中也将其称为复合材料层合反射面板的基本铺片单元120。优选地，本实施例中的基本铺片单元120为四边形形状。应当理解的，根据实际应用的需求，该基本铺片单元120也可以被设定为其他几何形状，这样的设定并未脱离本发明的发明构思，也在本发明的保护范围中。
优选地，本实施例中还列举以下几种基本铺片方式，以充分说明各层的各小块铺片的拼接铺贴方式：1)口字形0°：由一个正方形形状基本铺片单元120组成，该基本铺片单元120的几何中心位于铺层坐标系130的坐标原点，基本铺片单元120的两条相互垂直的边分别平行于铺层坐标系130的X轴和Y轴，参见图1a；2)田字形0°：由4个正方形形状的基本铺片单元120组成，该田字形的中心位于铺层坐标系130的原点，田字形形状的两条相互垂直的中线与铺层坐标系的X轴和Y轴重合，参见图1b； 3)田字形45°：由2)中的基本铺片方式发生绕铺层坐标系130的Z-轴发生角度偏转，如偏转45°所得到的基本铺片方式，参见图1c。在上述的几种基本铺片方式的基础上，以完全相同的方式进行扩展铺片，或者在上述的几种基本铺片方式的基础上，偏转铺片角度，并进行扩展铺片，又或者以上述的几种基本铺片方式组合的方式进行扩展铺片，可以得到每层中小块铺片的拼接铺贴方式。
(3)确定复合材料层合反射面板中任意两层的小块铺片的拼接铺贴组合方式
优选地，复合材料层合反射面板的半厚度内任意两层，第i层的铺层角度为θ(i)，第k 层的铺层角度为θ(k)。若|θ(i)|≠|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式不同，并且两层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层的铺层的拼缝线被另一层的铺层的拼缝线部分覆盖；若|θ(i)|＝|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式相同，并且两层的小块铺片拼缝线重合。
其中，|θ(i)|≠|θ(k)|的两层属于独立层。优选地，本实施例中列举以下几种两层独立层由基本铺片单元120组成的基本铺片组合方式，以充分说明任意两层的小块铺片的拼接铺贴组合方式。两层独立层的拼缝覆盖方式不局限于以下实例范围。
1)小口-大口0°：由边长为a和2a的正方形基本铺片单元120组成的两个口字形0°基本铺片方式组合。参见图2a。
2)小口-大口45°：由边长为a正方形基本铺片单元120组成的口字形0°基本铺片方式与边长为
Figure BDA0003341030210000141
正方形基本铺片单元120组成的口字形45°基本铺片方式组合。参见图 2b。
3)小田-大田45°：由边长为a正方形基本铺片单元120组成的田字形0°基本铺片方式与边长为
Figure BDA0003341030210000142
正方形基本铺片单元120组成的田字形45°基本铺片方式组合。参见图 2c。
4)小口-大田0°：由边长为a正方形基本铺片单元120组成的口字形0°基本铺片方式与边长为2a正方形基本铺片单元120组成的田字形0°基本铺片方式组合。参见图2d。
5)大口-小田0°：由边长为3a/2正方形基本铺片单元120组成的口字形0°基本铺片方式与边长为a正方形基本铺片单元120组成的田字形0°基本铺片方式组合。参见图2e。
6)小口-大田45°：由边长为
Figure BDA0003341030210000143
正方形基本铺片单元120组成的口字形0°基本铺片方式与边长为a正方形基本铺片单元120组成的田字形45°基本铺片方式组合。参见图2f。
7)大口-小田45°：由边长为2a正方形基本铺片单元120组成的口字形45°基本铺片方式与边长为
Figure BDA0003341030210000144
正方形基本铺片单元120组成的田字形0°基本铺片方式组合。参见图2g。其中，图2a-2g，实线代表独立层中一层的基本铺片单元120的铺片拼缝线140，虚线代表独立层中另一层基本铺片单元120的铺片拼缝线140。
优选地，基于上述的基本铺片组合方式，通过线性阵列即可以得到复合材料层合反射面板任意两层的小块铺片的拼接铺贴组合方式。参见图3a-3c，举例给出了几类任意铺层角度绝对值不等的两层独立铺层的小块铺片的拼接铺贴组合方式，其中的实线和虚线分别代表在反射面板的铺片剖分工作面内，且|θ(i)|≠|θ(k)|的两层独立铺层的铺片拼缝线140。其中，图3a中的拼接铺贴组合方式是基于图2f得到；图3b中的拼接铺贴组合方式是基于图2c得到；图3c中的拼接铺贴组合方式是基于图2b得到。
优选地，其中，边缘的小块铺片的拼接铺贴方式均随形于反射面板的边缘曲线沿铺片剖分平面法向投影曲线的形状，优选地，当基本铺片单元为四边形形状时，边界处的小块铺片的形状，也即边缘小块铺片142的形状为四边形与反射面板边缘曲线沿铺片剖分平面法向投影曲线相交形成的形状(参见图3a-3c)。
优选地，基本铺片单元120也可以为任意四边形，例如非正方形，参见图6。当 |θ(i)|≠|θ(k)|时，两层独立层由基本铺片单元形成的基本铺片组合方式为田字-口字组合方式。特别地，其中的口字形基本铺片方式的基本铺片单元由田字形基本铺片方式内部四条拼缝线远离田字中心点的四个点为顶点连接而成。最终形成的八层复合材料层合反射面板的各层的的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向参见图6。
(4)确定复合材料层合反射面板中每层的小块铺片的铺层方向
本实施例中，各层任一最靠近复合材料层合反射面板的铺层坐标系130原点的基本铺片单元120的铺层方向对应的铺层角与该层的铺层角度相同。复合材料层合反射面板的铺层选自优选实例附表1或附表2的任一铺层优选结果。复合材料层合反射面板的铺层确定后，则可得到复合材料层合反射面板每一层的铺层角度。依据该铺层角度，按实施例方法，确定各层的小块铺片形状、各层的小块铺片铺贴方式、任意两层的小块铺片铺贴组合方式以及各层内小块铺片的铺层方向。
同一层内，相邻小块铺片的铺层方向对应的铺层角绝对值相同且符号相反，相间小块铺片的铺层方向对应的铺层角相同。当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的层和铺层角度为90°的层时，则在这样的铺层中与铺层角为0°的小块铺片相邻的小块铺片的铺层角为90°，与铺层角为0°的小块铺片相间的小块铺片的铺层角为0°；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的层且不包含铺层角度为90°的层时，则0°层的小块铺片的铺层方向对应的铺层角均为0°，不进行铺层方向轮换。另外，复合材料层合反射面板的半厚度内，任一铺层角度为+|θ(i)|的铺层内不进行小块铺片的铺层方向轮换，则铺层角度为-|θ(i)|的铺层内也不进行小块铺片的铺层方向轮换。当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，若铺层角度为0°的铺层的小块铺片铺层方向不进行轮换，则铺层角度为90°的铺层的小块铺片铺层方向也不进行轮换。复合材料层合反射面板的半厚度铺层内最多包含两层小块铺片的铺层方向不轮换的铺层。
特别地，本实施例中，复合材料层合反射面板可以通过对称铺层实现。复合材料层合反射面板的第i层的铺层角度为θ(i)，1≤i≤2p，且i为整数，则第i层与第2p-i+1层互为对称层，互为对称层的两层铺层的铺层角度相同，且两层中的小块铺片的铺层方向、小块铺片的形状和小块铺片拼接铺贴方式均相同。参见图5和图6为两例包含八层铺层的复合材料层合反射面板的各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向。图5八层铺层的复合材料层合反射面板的铺层选自表1。图5八层铺层的复合材料层合反射面板的铺层选自表2。
优选地，仅需保证复合材料层合反射面板任意区域内面内具有准各向同性且具备基本零膨胀特性，同时保证反射面板成型后的强度，需满足相邻两层小块铺片的拼缝相互覆盖。此时，复合材料层合反射面板的铺层选自优选实例附表1的任一铺层优选结果。按照以上方法，确定每层的小块铺片的铺层方向。参见图4a-4d为利用选自优选实例附表1铺层优选结果，得到的几种优选的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向。图5为利用选自优选实例附表1铺层优选结果，得到一种优选的八层复合材料层合反射面板的各层的小块铺片的铺层方式和铺层方向。
优选地，保证复合材料层合反射面板任意区域内面内与面外均具有准各向同性且具备基本零膨胀特性时，复合材料层合反射面板的铺层选自优选实例附表2的任一铺层优选结果
Figure BDA0003341030210000161
按照以上方法，确定每层的小块铺片的铺层方向。参见图4e-4f为利用选自优选实例附表2铺层优选结果
Figure BDA0003341030210000162
得到的两优选的复合材料层合反射面板的半厚度内各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层小块铺片的铺层方向。图6为利用选自优选实例附表2铺层优选结果
Figure BDA0003341030210000163
得到一种优选的八层复合材料层合反射面板的各层的小块铺片的铺层方式和铺层方向。
特别地，以图4f实施例进一步具体说明。图4f实施例选自优选实例附表2铺层优选结果
Figure BDA0003341030210000164
(p＝8,q＝1)。此优选实例，保证复合材料层合反射面板任意区域内面内与面外均具有准各向同性且具备基本零膨胀特性。则依据此铺层优选结果，所制备的复合材料层合反射面板任意区域内的铺层必需选自
Figure BDA0003341030210000165
r＝1,2,...,16(p＝8,q＝1)。选择[-45°/0°/-67.5°/67.5°/90°/-22.5°/22.5°/45°]s为复合材料层合反射面板的铺层。图4f所示的复合材料层合反射面板的半厚度铺层的各层小块铺片的拼接铺贴方式和各层小块铺片的铺层方向。第一层的铺层角度为-45°，对应的小块铺片的铺层角为45°或-45°。第二层的铺层角度为0°，因为此复合材料层合反射面板的半厚度铺层同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层，因此铺层角度为0°的铺层对应的小块铺片的铺层角为 0°或90°。第一层与第二层铺层角度绝对值不等，此实施例中第一层与第二层的小块铺片的铺片拼接组合方式保证两层拼缝线相互覆盖。根据优选实例附表2铺层优选结果
Figure BDA0003341030210000166
(p＝8,q＝1)，并满足复合材料层合反射面板任意区域内的铺层必需选自
Figure BDA0003341030210000167
r＝1,2,...,16(p＝8,q＝1)，第二层铺层角为0°的小块铺片，其对应的第三层和第四层的小块铺片的铺层方向为67.5°与-67.5°的轮换，轮换次数任意；第二层铺层角为90°的小块铺片，其对应的第三层和第四层的小块铺片的铺层方向为22.5°与-22.5°的轮换，轮换次数任意。第二层与第三层铺层角度绝对值不等，此实施例中第二层与第三层的小块铺片的铺片拼接组合方式保证其中一层的铺层的拼缝线被另一层的铺层的拼缝线部分覆盖。第三层的铺层角度为-67.5°，第四层的铺层角度为67.5°，此两层的铺层角度绝对值相等。因此，第三层与第四层小块铺片的拼接铺贴方式相同。第五层的铺层角度为90°，则此层的小块铺片的拼接铺贴方式与铺层角度为0°的第二层相同。同理，根据优选实例附表2铺层优选结果
Figure BDA0003341030210000171
(p＝8,q＝1)及复合材料层合反射面板任意区域内的铺层必需选自
Figure BDA0003341030210000172
r＝1,2,...,16(p＝8,q＝1)，第五层铺层角为90°的小块铺片，其对应的第六层和第七层的小块铺片方向为22.5°与-22.5°的轮换；第五层铺层角为0°的小块铺片，其对应的第六层和第七层的小块铺片方向为67.5°与-67.5°的轮换。第六层与第七层的铺层角度绝对值相等，因此，此两层小块铺片的拼接铺贴方向相同。第八层铺层角度为45°与第一层铺层角度为-45°的层的小块铺片的拼接铺贴方向相同。复合材料层合反射面板的半厚度铺层选自优选实例附表2铺层优选结果
Figure 1
(p＝8,q＝1)，其各层小块铺片的拼接铺贴方式和各层小块铺片的铺层方向参见图4f。
(5)制备小块铺片及反射面板铺贴成型
优选的，按照上述实施例中所得到的各层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层的小块铺片的铺层方向，在反射面板的铺片剖分工作面内依次实现复合材料层合反射面板各层的小块铺片的拼接铺贴图形141；然后，将以上获得的各层的小块铺片的拼接铺贴图形 141沿反射面板的铺片剖分工作面法向，分割具有预设曲面形状的反射面板，反射面板被分割为若干小块小曲率曲面，这些小曲率曲面均为整体的曲面反射面板的一部分；然后，利用成熟的CAE软件或曲面展平软件，可得到这些小曲率曲面展平后的平面小块裁片图形，也即小块铺片的形状。复合材料层合反射面板各层的小块铺片均利用此平面小块裁片图形进行制作。基于上述实施例中确定的小块铺片的形状，优选地，采用单向连续纤维增强预浸料制备小块铺片。基于上述所确定的复合材料层合反射面板每层的小块铺片拼接铺贴方式和每层的小块铺片的铺层方向，将所制备的小块铺片拼接铺贴，形成具有任意预设曲面几何形状的铺层。根据任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式，在已完成拼接铺贴的铺层上按照预设的小块铺片拼接铺贴方式和小块铺片的铺层方向，拼接铺贴小块铺片。完成预设层数的铺贴，得到具有任意预设曲面几何形状的层合结构，对所得到的层合结构进行固化，制得任意区域内面内具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小，且任意区域内具有准零膨胀特性的复合材料层合反射面板。
本发明的另一方面，还在于提供一种利用如上各实施例的制备方法所制备的复合材料层合反射面板。参阅图5和图6可以看出，本实施例所提供的复合材料层合反射面板，具有任意预设的曲面几何形状，且主要包括：至少一块单向连续纤维增强预浸料制备得到的小块铺片，至少四层由所述小块铺片按照预设的铺层方向和拼接铺贴方式拼接得到的铺层，其中同一层内包含至少两种不同的小块铺片的铺层方向的铺层数目至少四层，任意两层铺层具有预设的小块铺片拼接铺贴组合方式，保证拼接铺贴方式不同铺层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线被另一层铺层的拼缝线部分覆盖；任意铺层区域具有对称均衡的铺层方式且具备准零膨胀特性；任意铺层区域满足面内具备准各向同性特性，或面内与面外均具备准各向同性特性，或面内与面外均具备准各向同性特性且弯-扭耦合效应最小。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板的半厚度铺层为[Θ]＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(p)]，则复合材料层合反射面板的完整铺层为：
[Θ]s＝[θ(1)，θ(2)，...，θ(p-1),θ(p)，θ(p+1)，θ(p+2)，...,θ(2p-1),θ(2p)]，
完整铺层[Θ]s为半厚度铺层[Θ]的对称集，其中，复合材料层合反射面板的第i层的铺层角度为θ(i)，1≤i≤2p，且i为整数，铺层顺序为第一层至第2p层依次堆叠铺层，第i层与第2p-i+1层互为对称层，互为对称层的两层铺层的铺层角度相同，且两层中的小块铺片的铺层方向、小块铺片的形状和小块铺片拼接铺贴方式均相同。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板的半厚度内，任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式中，铺层角度分别为θ(i)和θ(k)，若|θ(i)|≠|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式不同，并且两层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线被另一层铺层的拼缝线部分覆盖；若 |θ(i)|＝|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式相同，并且两层的小块铺片拼缝线重合；另外，当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°铺层和铺层角度为90°铺层时，则0°与90°的两层铺层的小块铺片的拼接铺贴方式相同；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°铺层且不包含铺层角度为90°铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的拼接铺贴方式任意且该层小块铺片可以覆盖相邻铺层的小块铺片的拼缝线或该层小块铺片的拼缝线可以被相邻铺层小块铺片所覆盖。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，所述小块铺片为任意多边形形状或任意曲边形形状，优选地，小块铺片可以为四边形形状。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，对于每层的小块铺片的铺层方向，实现铺层方向轮换；同一层内，相邻小块铺片的铺层方向对应的铺层角绝对值相同且符号相反，相间小块铺片的铺层方向对应的铺层角相同；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则这样的铺层中与铺层角为0°的小块铺片相邻的小块铺片的铺层角为90°，与铺层角为0°的小块铺片相间的小块铺片的铺层角为0°；当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为 0°的铺层的小块铺片的铺层方向对应的铺层角均为0°，不进行铺层方向轮换。复合材料层合反射面板的半厚度内，任一铺层角度为+|θ(i)|的铺层内不进行小块铺片的铺层方向轮换，则铺层角度为-|θ(i)|的铺层内也不进行小块铺片的铺层方向轮换。当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，若铺层角度为0°的铺层的小块铺片铺层方向不进行轮换，则铺层角度为90°的铺层的小块铺片铺层方向也不进行轮换。复合材料层合反射面板的半厚度铺层内最多包含两层小块铺片的铺层方向不轮换的铺层。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板的半厚度铺层选自备选集{Θ}，所述备选集{Θ}由基本角度集θ的每个元素经过q≥1次复制后，得到的所有元素的全排列组成。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure BDA0003341030210000191
r＝1,2,...，其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000192
r＝1,2,...的对称集，且半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000193
r＝1,2,...中，任意相邻两层的铺层角度的绝对值不相等。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure BDA0003341030210000201
r＝1,2,...，其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000202
r＝1,2,...的对称集，所述半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000203
r＝1,2,...为由备选集{Θ}中的所有元素[Θr]，r＝1,2,...，的对称集[Θr]s进行铺层，得到复合材料层合面板的刚度矩阵[K]，
Figure BDA0003341030210000204
按照下述优化目标函数进行优化，
Figure BDA0003341030210000205
或
Figure BDA0003341030210000206
所获取的半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000207
r＝1,2,...或半厚度铺层
Figure BDA0003341030210000208
r＝1,2,...。
基于上述实施例的，另一些优选实施例中的复合材料层合反射面板中，所述基本角度集θ的任意元素θ(k)，满足-π/2＜θ(k)≤π/2，其中，k＝1,2,...,N，N≥2，N为整数，
当N＝2时，所述基本角度集为
Figure BDA0003341030210000209
另外，当N＝2n且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n)]，且
Figure BDA00033410302100002010
另外，当N＝2n-1且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n-1)]，且
Figure BDA00033410302100002011
应当理解的是，以上实施例中所描述的复合材料层合反射面板可以根据本发明中所提出的制备方法制得，因此其具有本发明的制备方法所制得的复合材料层合反射面板的所有特征，因此，在本发明的制备方法的实施例部分所列举的复合材料层合反射面板的相关优选或者特别示例也适用于上述复合材料层合反射面板的相关实施例中，本文此处不再赘述。
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (18)

1.一种复合材料层合反射面板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定复合材料层合反射面板的铺层方式，所述铺层方式包括铺层角度和铺层顺序；
确定小块铺片的形状；
根据小块铺片的形状，确定每层的小块铺片的拼接铺贴方式；
确定任意两层的小块铺片的拼接铺贴组合方式，保证拼接铺贴方式不同的铺层的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；
确定每层的小块铺片的铺层方向，其中所述复合材料层合反射面板包含至少四层铺层，且同一层内包含至少两种不同的小块铺片的铺层方向的铺层的数目至少为四层；
根据所确定的每层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层的小块铺片的铺层方向，采用单向连续纤维增强预浸料制备小块铺片；
根据每层的小块铺片的拼接铺贴方式和每层的小块铺片的铺层方向，将所述小块铺片拼接铺贴，形成具有任意预设曲面几何形状的铺层；
根据任意两层的小块铺片的拼接铺贴组合方式，在已完成拼接铺贴的铺层上按照预设的小块铺片的拼接铺贴方式和小块铺片的铺层方向拼接铺贴小块铺片；
完成预设层数的铺贴，得到具有任意预设曲面几何形状的层合结构；
对所得到的层合结构进行固化，制得任意区域内面内具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性，或面内与面外均具有准各向同性特性同时弯-扭耦合效应最小，且任意区域内具有准零膨胀特性的复合材料层合反射面板。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
复合材料层合反射面板的半厚度铺层为[Θ]＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(p)]，
则复合材料层合反射面板的完整铺层为：
[Θ]s＝[θ(1)，θ(2)，...，θ(p-1),θ(p)，θ(p+1)，θ(p+2)，...,θ(2p-1),θ(2p)]，
完整铺层[Θ]s为半厚度铺层[Θ]的对称集，
其中，复合材料层合反射面板的第i层的铺层角度为θ(i)，1≤i≤2p，且i为整数，铺层顺序为第一层至第2p层依次堆叠铺层，第i层与第2p-i+1层互为对称层，互为对称层的两层铺层的铺层角度相同，且互为对称层的两层铺层中的小块铺片的铺层方向、小块铺片的形状和小块铺片拼接铺贴方式均相同。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
复合材料层合反射面板的半厚度内，任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式中，铺层角度分别为θ(i)和θ(k)，
若|θ(i)|≠|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式不同，并且两层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；
若|θ(i)|＝|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式相同，并且两层的小块铺片的拼缝线重合；
另外，当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度分别为0°与90°的两层铺层中的小块铺片的拼接铺贴方式相同；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的拼接铺贴方式任意且该层小块铺片可以覆盖相邻铺层的小块铺片的拼缝线或该层小块铺片的拼缝线可以被相邻铺层小块铺片所覆盖。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
所述小块铺片为任意多边形形状或任意曲边形形状。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
对于每层铺层内的小块铺片的铺层方向，实现铺层方向轮换；
同一铺层内，相邻小块铺片的铺层方向对应的铺层角绝对值相同且符号相反，相间小块铺片的铺层方向对应的铺层角相同；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层中与铺层角为0°的小块铺片相邻的小块铺片的铺层角为90°，与铺层角为0°的小块铺片相间的小块铺片的铺层角为0°；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的铺层方向对应的铺层角均为0°，不进行铺层方向轮换；
复合材料层合反射面板的半厚度内，任一铺层角度为+|θ(i)|的铺层内不进行小块铺片的铺层方向轮换，则铺层角度为-|θ(i)|的铺层内也不进行小块铺片的铺层方向轮换；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，若铺层角度为0°的铺层的小块铺片铺层方向不进行轮换，则铺层角度为90°的铺层的小块铺片铺层方向也不进行轮换；
复合材料层合反射面板的半厚度铺层内最多包含两层小块铺片的铺层方向不轮换的铺层。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，
复合材料层合反射面板的半厚度铺层选自备选集{Θ}，所述备选集{Θ}由基本角度集θ的每个元素经过q≥1次复制后，得到的所有元素的全排列组成。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure FDA0003341030200000031
其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000032
的对称集，且半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000033
中，任意相邻两层铺层的铺层角度的绝对值不相等。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure FDA0003341030200000034
其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000035
的对称集，
半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000036
由下述步骤获得：
分别以备选集{Θ}中的所有元素[Θr]，r＝1,2,...，的对称集[Θr]s，r＝1,2,...进行铺层，得到复合材料层合面板的刚度矩阵[K]，
Figure FDA0003341030200000037
利用得到的刚度矩阵[K]通过下述优化目标函数进行优化，
Figure FDA0003341030200000038
或
Figure FDA0003341030200000039
以优化得到的半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000041
或半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000042
作为半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000043
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述基本角度集θ的任意元素θ(k)，满足-π/2＜θ(k)≤π/2，其中，k＝1,2,...,N，N≥2，N为整数，
当N＝2时，所述基本角度集为
Figure FDA0003341030200000044
另外，当N＝2n且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n)]，且
Figure FDA0003341030200000045
另外，当N＝2n-1且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n-1)]，且
Figure FDA0003341030200000046
10.一种复合材料层合反射面板，其特征在于，所述复合材料层合反射面板具有任意预设的曲面几何形状，包括：
至少一块单向连续纤维增强预浸料制备得到的小块铺片，
至少四层由所述小块铺片按照预设的铺层方向和拼接铺贴方式拼接得到的铺层，其中同一层内包含至少两种不同的小块铺片的铺层方向的铺层的数目至少为四层，
任意两层铺层具有预设的小块铺片拼接铺贴组合方式，保证拼接铺贴方式不同的铺层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；
任意铺层区域具有对称均衡的铺层方式且具备准零膨胀特性；
任意铺层区域满足面内具备准各向同性特性，或面内与面外均具备准各向同性特性，或面内与面外均具备准各向同性特性且弯-扭耦合效应最小。
11.如权利要求10所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
复合材料层合反射面板的半厚度铺层为[Θ]＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(p)]，
则复合材料层合反射面板的完整铺层为：
[Θ]s＝[θ(1)，θ(2)，...，θ(p-1),θ(p)，θ(p+1)，θ(p+2)，...,θ(2p-1),θ(2p)]，
完整铺层[Θ]s为半厚度铺层[Θ]的对称集，
其中，复合材料层合反射面板的第i层的铺层角度为θ(i)，1≤i≤2p，且i为整数，铺层顺序为第一层至第2p层依次堆叠铺层，第i层与第2p-i+1层互为对称层，互为对称层的两层铺层的铺层角度相同，且互为对称层的两层铺层中的小块铺片的铺层方向、小块铺片的形状和小块铺片拼接铺贴方式均相同。
12.如权利要求11所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
复合材料层合反射面板的半厚度内，任意两层的小块铺片拼接铺贴组合方式中，铺层角度分别为θ(i)和θ(k)，
若|θ(i)|≠|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式不同，并且两层的小块铺片的拼缝线相互覆盖或其中一层铺层的拼缝线将另一层铺层的拼缝线部分覆盖；
若|θ(i)|＝|θ(k)|，则两层的小块铺片的拼接铺贴方式相同，并且两层的小块铺片拼缝线重合；另外，当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度分别为0°与90°的两层铺层中的小块铺片的拼接铺贴方式相同；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的拼接铺贴方式任意且该层小块铺片可以覆盖相邻铺层的小块铺片的拼缝线或该层小块铺片的拼缝线可以被相邻铺层小块铺片所覆盖。
13.如权利要求11所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
所述小块铺片为任意多边形形状或任意曲边形形状。
14.如权利要求11所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
对于每层铺层内的小块铺片的铺层方向，实现铺层方向轮换；
同一铺层内，相邻小块铺片的铺层方向对应的铺层角绝对值相同且符号相反，相间小块铺片的铺层方向对应的铺层角相同；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层中与铺层角为0°的小块铺片相邻的小块铺片的铺层角为90°，与铺层角为0°的小块铺片相间的小块铺片的铺层角为0°；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中包含铺层角度为0°的铺层且不包含铺层角度为90°的铺层时，则铺层角度为0°的铺层的小块铺片的铺层方向对应的铺层角均为0°，不进行铺层方向轮换；
复合材料层合反射面板的半厚度内，任一铺层角度为+|θ(i)|的铺层内不进行小块铺片的铺层方向轮换，则铺层角度为-|θ(i)|的铺层内也不进行小块铺片的铺层方向轮换；
当复合材料层合反射面板的半厚度铺层中同时包含铺层角度为0°的铺层和铺层角度为90°的铺层时，若铺层角度为0°的铺层的小块铺片铺层方向不进行轮换，则铺层角度为90°的铺层的小块铺片铺层方向也不进行轮换；
复合材料层合反射面板的半厚度铺层内最多包含两层小块铺片的铺层方向不轮换的铺层。
15.如权利要求11所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
复合材料层合反射面板的半厚度铺层选自备选集{Θ}，所述备选集{Θ}由基本角度集θ的每个元素经过q≥1次复制后，得到的所有元素的全排列组成。
16.如权利要求15所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure FDA0003341030200000061
其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000062
的对称集，且半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000063
中，任意相邻两层铺层的铺层角度的绝对值不相等。
17.如权利要求15所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
复合材料层合反射面板任意区域内的铺层为
Figure FDA0003341030200000064
其为复合材料层合反射面板的半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000065
的对称集，
所述半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000066
为由备选集{Θ}中的所有元素[Θr]，r＝1,2,...，的对称集[Θr]s进行铺层，得到复合材料层合面板的刚度矩阵[K]，
Figure FDA0003341030200000067
按照下述优化目标函数进行优化，
Figure FDA0003341030200000071
或
Figure FDA0003341030200000072
所获取的半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000073
或半厚度铺层
Figure FDA0003341030200000074
18.如权利要求15所述的复合材料层合反射面板，其特征在于，
所述基本角度集θ的任意元素θ(k)，满足-π/2＜θ(k)≤π/2，其中，k＝1,2,...,N，N≥2，N为整数，
当N＝2时，所述基本角度集为
Figure FDA0003341030200000075
另外，当N＝2n且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n)]，且
Figure FDA0003341030200000076
另外，当N＝2n-1且n≥2时，所述基本角度集为θ＝[θ(1)，θ(2)，...,θ(2n-1)]，且
Figure FDA0003341030200000077
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