CN117540498A - 一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，通过设计结构体系化制造工艺的拉伸应变‑温度‑时间工艺参数，实现不同形变特性的薄壁双稳态结构的制造；进行形变设计包括：根据结构强度需求确定原材料及结构特性参数；建立不同拉伸应变下的松弛模量主曲线函数；计算对应形变设计需求的特性因子；判定结构参数是否满足强度要求且无明显缺陷；确定体系化制造工艺的拉伸应变‑温度‑时间参数；进行体系化制造包括：制备复合材料铺层结构；根据形变设计需求对其施加拉伸应变；根据拉伸应变对应的温度‑时间工艺参数，对铺层结构固化成型；得到具有设计所需的形变特性的薄壁双稳态结构。该方法有利于对薄壁双稳态结构进行定制化设计制造。

Description

一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法

技术领域

本发明涉及机械连接结构设计技术领域，具体涉及一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法。

背景技术

传统机械连接结构笨重、拆卸安装流程繁琐，同时大多数机械连接方式为刚性连接，运动过程无法调控。根据我国智能装备制造产业的需求，新一代机械装备进一步向集成化、柔性化、轻量化发展。因此，传统的机械连接结构难以满足新型产业发展的需求。

双稳态复合材料薄壁结构作为一种一体式可折叠机械连接结构，具有较高的比强度、比模量，同时兼具良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。通过结构制造工艺参数设计，可实现复合材料卷尺结构形变特性的定制化、智能化设计制造，满足新型机械连接结构对形变特性多样化的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，该方法有利于对薄壁双稳态结构进行定制化设计制造。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，通过设计结构体系化制造工艺的拉伸应变-温度-时间工艺参数，实现具有不同形变特性的薄壁双稳态结构的制造；所述薄壁双稳态结构的形变特性，包括自伸展、中性稳定和自卷拢特性。

进一步地，首先进行薄壁双稳态结构形变设计，包括以下步骤：

A1)根据结构强度需求确定原材料及结构特性参数；

所述原材料包括连续纤维织物和树脂：当采用单向连续纤维材料时，铺层结构设计为[45/-45]_n；当采用平纹连续纤维材料时，铺层结构设计为[±45°]_n；树脂采用任一高分子材料；

所述结构特性参数包括初始截面张角β、长度L和铺层数n；

A2)根据复合材料铺层结构的动态热机械响应，建立不同拉伸应变下的模量松弛主曲线函数；

所述模量松弛主曲线函数包括弹性模量松弛主曲线函数和剪切模量松弛主曲线函数：

所述弹性模量松弛主曲线函数表示为：其中，E₀为复合材料铺层结构的初始弹性模量，e_Ri为弹性模量松弛系数，τ_i为特征松弛时间系数，t为松弛时间，N为拟合主曲线所需的项数；

所述剪切模量松弛主曲线函数表示为：其中，G₀为复合材料铺层结构的初始剪切模量，g_Ri为剪切模量松弛系数；

A3)根据形变设计需求，计算对应的形变特性因子确定所需复合材料铺层结构性能参数E'₁₁、E'₂₂、G'₁₂，其中，ν₁₂、ν₂₁为复合材料铺层结构的不同方向上的泊松比；

所述形变特性因子决定复合材料卷尺结构的形变特性：当所述结构表现为中性稳定状态；当/>所述结构表现为自伸展特性；当/>所述结构表现为自卷拢特性；其中，R为初始展开稳态半径，r为初始卷拢稳态半径；

A4)判定步骤A3确定的复合材料铺层结构是否满足强度要求以及是否无明显缺陷，如是，执行步骤A5；如否，执行步骤A1，调整参数重新设计；

A5)根据步骤A3确定的复合材料铺层结构性能参数，代入步骤A2的材料模量松弛主曲线函数，确定体系化制造工艺的拉伸应变-温度-时间参数，完成薄壁双稳态结构的形变设计。

进一步地，根据薄壁双稳态结构的形变设计，进行体系化制造，包括以下步骤：

B1)根据确定的原材料及结构特性参数，制备复合材料铺层结构；

B2)将复合材料铺层结构固定在模具上，并根据形变设计需求对其施加相应的拉伸应变；

B3)根据拉伸应变对应的温度-时间工艺参数，使用真空袋压工艺对铺层结构固化成型；

B4)脱模剪裁后得到具有所设计形变特性的薄壁双稳态结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，该方法可以实现薄壁双稳态结构形变特性的定制化、智能化设计制造，满足新型机械连接结构对形变特性多样化的应用需求。

附图说明

图1是本发明实施例的方法实现流程图；

图2是本发明实施例中薄壁双稳态结构自伸展、中性稳定、自卷拢形变特性曲线；

图3是本发明实施例中薄壁双稳态结构不同拉伸应变下的材料模量松弛主曲线函数模型；

图4是本发明实施例中相同温度-时间工艺参数下，薄壁双稳态结构形变特性与拉伸应变的关系。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，该方法通过设计结构体系化制造工艺的拉伸应变-温度-时间工艺参数，实现具有不同形变特性的薄壁双稳态结构的制造。所述薄壁双稳态结构的形变特性，包括自伸展、中性稳定和自卷拢特性。

首先，进行薄壁双稳态结构形变设计，包括以下步骤：

A1)根据结构强度需求确定原材料及结构特性参数。

所述原材料包括连续纤维织物和树脂：当采用单向连续纤维材料时，铺层结构设计为[45/-45]_n；当采用平纹连续纤维材料时，铺层结构设计为[±45°]_n；树脂采用任一高分子材料。

所述结构特性参数包括初始截面张角β、长度L和铺层数n。

A2)根据复合材料铺层结构的动态热机械响应，建立不同拉伸应变下的模量松弛主曲线函数。

所述模量松弛主曲线函数包括弹性模量松弛主曲线函数和剪切模量松弛主曲线函数。

所述弹性模量松弛主曲线函数表示为：其中，E₀为复合材料铺层结构的初始弹性模量，e_Ri为弹性模量松弛系数，τ_i为特征松弛时间系数，t为松弛时间，N为拟合主曲线所需的项数。主曲线函数是一个拟合函数，通过测得材料模量松弛主曲线后使用该函数对曲线进行拟合。τ_i是其中一个需要拟合的系数，在材料的黏弹性研究中(蠕变或应力松弛)这个系数被称为特征松弛时间，t是松弛测试持续的时间，为函数的自变量。主曲线函数是一个非线性函数，一个/>项往往没有办法完成高精度的拟合，因此需要多个项更精确的还原材料的模量松弛过程。

所述剪切模量松弛主曲线函数表示为：其中，G₀为复合材料铺层结构的初始剪切模量，g_Ri为剪切模量松弛系数。

A3)根据形变设计需求，计算对应的形变特性因子确定所需复合材料铺层结构性能参数E'₁₁、E'₂₂、G'₁₂，其中，ν₁₂、ν₂₁为复合材料铺层结构的不同方向上的泊松比。

所述形变特性因子决定复合材料卷尺结构的形变特性：当所述结构表现为中性稳定状态；当/>所述结构表现为自伸展特性；当/>所述结构表现为自卷拢特性；其中，R为初始展开稳态半径，r为初始卷拢稳态半径。

A4)判定步骤A3确定的复合材料铺层结构是否满足强度要求以及是否无明显缺陷，如是，执行步骤A5；如否，执行步骤A1，调整参数重新设计。

A5)根据步骤A3确定的复合材料铺层结构性能参数，代入步骤A2的材料模量松弛主曲线函数，确定体系化制造工艺的拉伸应变-温度-时间参数，完成薄壁双稳态结构的形变设计。

薄壁双稳态结构形变特性曲线如图2所示。

薄壁双稳态结构不同拉伸应变下材料模量松弛主曲线如图3所示。

相同温度-时间工艺参数下，薄壁双稳态结构形变特性与拉伸应变的关系如图4所示。

中性稳定状态由于结构存在摩擦等因素，形变特性因子处于附近，结构也表现为中性稳定。

然后，根据薄壁双稳态结构的形变设计，进行体系化制造，包括以下步骤：

B1)根据确定的原材料及结构特性参数，制备复合材料铺层结构。

B2)将复合材料铺层结构固定在模具上，并根据形变设计需求对其施加相应的拉伸应变。

B3)根据拉伸应变对应的温度-时间工艺参数，使用真空袋压工艺对铺层结构固化成型。

B4)脱模剪裁后得到具有所设计形变特性的薄壁双稳态结构。

以下是本发明的具体实施例。以下实施例中采用的原料、装置设备等除本发明特殊限定外，均可通过市售渠道购买。

实施例1

本实施例提供一种自伸展复合材料卷尺结构的设计制造流程。

设计流程：

根据步骤A1选择环氧树脂-T300碳纤维体系，复合材料卷尺结构尺寸为30mm×300mm，R＝15mm，r＝18mm，初始截面张角180°。铺层结构采用单层平纹织物[±45°]。结构强度要求弹性模量E₁₁≥50GPa，E₂₂≥50GPa，剪切模量G₁₂≥1.0GPa。

根据步骤A2，测试A1设计所得环氧树脂-T300碳纤维复合材料的动态热机械响应并建立不同拉伸应变下的E₁₁、E₂₂、G₁₂的主曲线函数。

根据步骤A3计算可知，该复合材料卷尺结构的中性稳定判据为0.905，根据自伸展特性要求，C＜0.905。

根据步骤A4，选取满足结构强度要求的弹性模量，E₁₁＝53.6GPa，E₂₂＝53.6GPa，G₁₂＝3.3GPa。

根据步骤A5，设计结果为该结构的性能参数需要的拉伸应变为0，固化温度为125℃，固化时间120min。

制造流程：

根据步骤B1，剪裁复合材料预浸料制备铺层结构。

根据步骤B2，将铺层结构固定在成型模具上，设计结果所需拉伸应变为0，因此不需要其他处理。

根据步骤B3，使用真空袋压工艺，125℃固化120min成型。

根据步骤B4，对结构脱模剪裁除去毛刺及多余树脂，即得到所需形变设计的自伸展薄壁双稳态结构。

实施例2

本实施例提供一种中性稳定特性复合材料卷尺结构的设计制造流程。

设计流程：

根据步骤A1选择环氧树脂-T300碳纤维体系，复合材料卷尺结构尺寸为30mm×300mm，R＝15mm，r＝18mm，初始截面张角180°。铺层结构采用单层平纹织物[±45°]。结构强度要求弹性模量E₁₁≥50GPa，E₂₂≥50GPa，剪切模量G₁₂≥1.0GPa。

根据步骤A2，测试A1设计所得环氧树脂-T300碳纤维复合材料的动态热机械响应并建立固定应变下的E₁₁、E₂₂、G₁₂的松弛主曲线函数。

根据步骤A3计算可知，该复合材料卷尺结构的中性稳定判据为0.905，根据中性稳定要求，C＝0.905。

根据步骤A4，选取满足结构强度要求的弹性模量，E₁₁＝53.3MPa，E₂₂＝53.3MPa，G₁₂＝2.2GPa。

根据步骤A5，该结构实现中性稳定需要拉伸应变为0.2％，固化温度125℃，固化时间120min。

制造流程：

根据步骤B1，剪裁复合材料预浸料制备铺层结构。

根据步骤B2，将铺层结构固定在成型模具上，施加0.2％的拉伸应变。

根据步骤B3，使用真空袋压工艺125℃下固化120min。

根据步骤B4，对结构脱模剪裁除去毛刺及多余树脂，即得到所需形变设计的中性稳定薄壁双稳态结构。

实施例3

本实施例提供一种自卷拢特性复合材料卷尺结构。

设计流程：

根据步骤A1选择环氧树脂-T300碳纤维体系，复合材料卷尺结构尺寸为30mm×300mm，R＝15mm，r＝18mm，初始截面张角180°。铺层结构采用单层平纹织物[±45°]。结构强度要求弹性模量E₁₁≥50GPa，E₂₂≥50GPa，剪切模量G₁₂≥1.0GPa。

根据步骤A2，测试A1设计所得环氧树脂-T300碳纤维复合材料的动态热机械响应并建立固定应变下的E₁₁、E₂₂、G₁₂的松弛主曲线函数。

根据步骤A3计算可知，该复合材料卷尺结构的中性稳定判据为0.905，根据自卷拢特性要求，C>0.905。

根据步骤A4，选取满足结构强度要求的弹性模量，E₁₁＝53.2GPa，E₂₂＝53.2GPa，G₁₂＝1.5GPa。

根据步骤A5，该结构实现中性稳定需要拉伸应变为0.6％，固化温度125℃，固化时间120min。。

制造流程：

根据步骤B1，剪裁复合材料预浸料制备铺层结构。

根据步骤B2，将铺层结构固定在成型模具上，施加0.6％的拉伸应变。

根据步骤B3，使用真空袋压工艺125℃下固化120min。

根据步骤B4，对结构脱模剪裁除去毛刺及多余树脂，即得到所需形变设计的自卷拢薄壁双稳态结构。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，其特征在于，通过设计结构体系化制造工艺的拉伸应变-温度-时间工艺参数，实现具有不同形变特性的薄壁双稳态结构的制造；所述薄壁双稳态结构的形变特性，包括自伸展、中性稳定和自卷拢特性。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，其特征在于，首先进行薄壁双稳态结构形变设计，包括以下步骤：

A1)根据结构强度需求确定原材料及结构特性参数；

所述原材料包括连续纤维织物和树脂：当采用单向连续纤维材料时，铺层结构设计为[45/-45]_n；当采用平纹连续纤维材料时，铺层结构设计为[±45°]_n；树脂采用任一高分子材料；

所述结构特性参数包括初始截面张角β、长度L和铺层数n；

A2)根据复合材料铺层结构的动态热机械响应，建立不同拉伸应变下的模量松弛主曲线函数；

所述模量松弛主曲线函数包括弹性模量松弛主曲线函数和剪切模量松弛主曲线函数：

所述弹性模量松弛主曲线函数表示为：其中，E₀为复合材料铺层结构的初始弹性模量，e_Ri为弹性模量松弛系数，τ_i为特征松弛时间系数，t为松弛时间，N为拟合主曲线所需的项数；

所述剪切模量松弛主曲线函数表示为：其中，G₀为复合材料铺层结构的初始剪切模量，g_Ri为剪切模量松弛系数；

A3)根据形变设计需求，计算对应的形变特性因子确定所需复合材料铺层结构性能参数E'₁₁、E'₂₂、G'₁₂，其中，ν₁₂、ν₂₁为复合材料铺层结构的不同方向上的泊松比；

所述形变特性因子决定复合材料卷尺结构的形变特性：当所述结构表现为中性稳定状态；当/>所述结构表现为自伸展特性；当/>所述结构表现为自卷拢特性；其中，R为初始展开稳态半径，r为初始卷拢稳态半径；

A4)判定步骤A3确定的复合材料铺层结构是否满足强度要求以及是否无明显缺陷，如是，执行步骤A5；如否，执行步骤A1，调整参数重新设计；

A5)根据步骤A3确定的复合材料铺层结构性能参数，代入步骤A2的材料模量松弛主曲线函数，确定体系化制造工艺的拉伸应变-温度-时间参数，实现薄壁双稳态结构的形变设计。

3.根据权利要求2所述的一种薄壁双稳态结构形变设计及体系化制造方法，其特征在于，根据薄壁双稳态结构的形变设计，进行体系化制造，包括以下步骤：

B1)根据确定的原材料及结构特性参数，制备复合材料铺层结构；

B2)将复合材料铺层结构固定在模具上，并根据形变设计需求对其施加相应的拉伸应变；

B3)根据拉伸应变对应的温度-时间工艺参数，使用真空袋压工艺对铺层结构固化成型；

B4)脱模剪裁后得到具有所设计形变特性的薄壁双稳态结构。