贝壳仿生复合材料增韧结构及其设计方法和自动化制造工艺与流程

文档序号:11804842阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种贝壳仿生复合材料增韧结构,其特征在于:包括层叠设置的多层单向非连续纤维铺层,每层铺层中包括并行排列的多束非连续纤维,单束非连续纤维是由多个同种纤维材料的纤维段按照首尾相接的方式串接而成的线型结构,相邻铺层的非连续纤维按束对齐,并且相对齐的两束非连续纤维中纤维段的串接位置不重合,形成沿非连续纤维延伸方向排列的双层纤维搭接结构,双层纤维搭接结构的拉伸韧性沿铺层层叠方向自外向内或自内向外梯度变化。

2.根据权利要求1所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构,其特征在于:所述铺层的纤维材料选自脆性纤维的一种或多种。

3.根据权利要求1所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构,其特征在于:所述梯度变化是指阶梯式增大或减小,或者是指连续增大或减小。

4.一种贝壳仿生复合材料增韧结构的设计方法,其特征在于:包括以下步骤:

1)计算不同纤维搭接长度下最大强度和变形量

构建双层纤维搭接结构拉伸仿真简化模型,分别对该模型的上下两层纤维和中间的粘接材料层赋予实际的属性值;然后变换不同的纤维搭接长度并分别进行拉伸仿真计算,得出不同纤维搭接长度下的应力应变曲线,所述拉伸仿真计算中设定位移载荷的方向与纤维延伸方向一致;

2)仿生梯度复合材料增韧结构整体结构设计

根据不同纤维搭接长度下的仿真计算结果进行工艺参数调整,确定工艺参数的原则为:保证复合材料增韧结构在过载情况下发生梯度破坏;所述工艺参数包括纤维种类以及纤维搭接长度。

5.根据权利要求4所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的设计方法,其特征在于:所述上下两层纤维与粘接材料层均为二维模型,其中上下两层纤维使用壳单元进行网格划分,粘接材料层使用cohesive单元进行网格划分;所述属性值为弹性模量、泊松比和断裂韧性。

6.根据权利要求4所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的设计方法,其特征在于:所述确定工艺参数的原则具体为在过载情况下复合材料增韧结构由外层向内层梯度断裂或者从内层向外层梯度断裂,同时必须保证满足一定的设计强度要求。

7.一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺,其特征在于:包括以下步骤:利用自动纤维铺放设备,仿照贝壳微观结构特征,使用非连续纤维逐层铺叠方式制备复合材料增韧结构。

8.根据权利要求7所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺,其特征在于:所述自动化制造工艺具体包括以下步骤:

1)生产加工轨迹

根据最终确定的复合材料增韧结构的结构形式,生成加工过程中自动纤维铺放设备所需要的加工轨迹,同时输出自动纤维铺放设备加工过程中所需要的动作控制代码,保证纤维局部剪断后能够连续送出;

2)复合材料增韧结构整体成型

根据得到的加工轨迹与动作控制代码,利用自动纤维铺放设备逐层堆叠成型;

3)复合材料增韧结构固化

堆叠成型后进行固化,最终制成复合材料增韧结构。

9.根据权利要求7所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺,其特征在于:所述自动纤维铺放设备具有在机剪切与重送的功能,从而能够实现纤维剪断后连续的送出;当选用预浸带材料时,采用热压罐工艺进行固化;当选用干纤维时,固化工艺为RTM或RFI。

10.根据权利要求7所述一种贝壳仿生复合材料增韧结构的自动化制造工艺,其特征在于:所述复合材料增韧结构包括层叠设置的多层单向非连续纤维铺层,每层铺层中包括并行排列的多束非连续纤维,单束非连续纤维是由多个同种纤维材料的纤维段按照首尾相接的方式串接而成的线型结构,相邻铺层的非连续纤维按束对齐,并且相对齐的两束非连续纤维中纤维段的串接位置不重合,形成沿非连续纤维延伸方向排列的双层纤维搭接结构,双层纤维搭接结构的拉伸韧性沿铺层层叠方向自外向内或自内向外梯度变化。

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