本發(fā)明涉及復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，具體涉及一仿生非連續(xù)纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制備。

背景技術(shù)：

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料與金屬材料相比，具有高比強(qiáng)、高比剛度、耐腐蝕、強(qiáng)度可設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星、艦船、兵工武器等結(jié)構(gòu)上不可或缺的戰(zhàn)略材料。隨著纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的大量應(yīng)用，復(fù)合材料構(gòu)件的失效也逐漸增多，且可能造成災(zāi)難性事故。這主要是由于當(dāng)復(fù)合材料受到低能量沖擊或載荷時(shí)，構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生基體裂紋和分層等損傷，這類(lèi)損傷往往表面破壞很小，不易直觀檢測(cè)。在后續(xù)的使用中，內(nèi)部損傷會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大從而造成復(fù)合材料構(gòu)件的突然失效。因此在很多情況下，復(fù)合材料的韌性會(huì)作為優(yōu)先于強(qiáng)度的考量標(biāo)準(zhǔn)。

單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的拉伸過(guò)程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本保持線性，這就說(shuō)明單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板拉伸失效前主要為彈性變形，無(wú)明顯的塑性變形，屬脆性材料。

目前為了提高纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料韌性所采取的方法是在樹(shù)脂基體中添加如橡膠顆粒這樣的韌性材料。這些方法會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料制造成本增大，質(zhì)量增大，同時(shí)對(duì)于現(xiàn)階段比較成熟的自動(dòng)鋪放技術(shù)來(lái)說(shuō)，會(huì)造成制造工序的改變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有復(fù)合材料構(gòu)件破壞裂紋生長(zhǎng)難以預(yù)測(cè)，檢測(cè)不直觀的問(wèn)題，在不改變?cè)兄圃旃ば虻那疤嵯?，本發(fā)明提供一種貝殼仿生復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法和自動(dòng)化制造工藝。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種貝殼仿生復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)，包括層疊設(shè)置的多層單向非連續(xù)纖維鋪層，每層鋪層中包括并行排列的多束非連續(xù)纖維，單束非連續(xù)纖維是由多個(gè)同種纖維材料的纖維段按照首尾相接的方式串接而成的線型結(jié)構(gòu)，相鄰鋪層的非連續(xù)纖維按束對(duì)齊，并且相對(duì)齊的兩束非連續(xù)纖維中纖維段的串接位置不重合，形成沿非連續(xù)纖維延伸方向排列的雙層纖維搭接結(jié)構(gòu)，雙層纖維搭接結(jié)構(gòu)的拉伸韌性沿鋪層層疊方向自外向內(nèi)或自內(nèi)向外梯度變化。

所述鋪層的纖維材料選自脆性纖維(如玻璃纖維、碳纖維等中)的一種或多種。

所述梯度變化是指階梯式增大或減小，或者是指連續(xù)增大或減小。

一種貝殼仿生復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)計(jì)算不同纖維搭接長(zhǎng)度下最大強(qiáng)度和變形量

構(gòu)建雙層纖維搭接結(jié)構(gòu)拉伸仿真簡(jiǎn)化模型，分別對(duì)該模型的上下兩層纖維和中間的粘接材料層賦予實(shí)際的屬性值；然后變換不同的纖維搭接長(zhǎng)度并分別進(jìn)行拉伸仿真計(jì)算，得出不同纖維搭接長(zhǎng)度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，所述拉伸仿真計(jì)算中設(shè)定位移載荷的方向與纖維延伸方向一致；

2)仿生梯度復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同纖維搭接長(zhǎng)度下的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整，確定工藝參數(shù)的原則為：保證復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)在過(guò)載情況下發(fā)生梯度破壞；所述工藝參數(shù)包括纖維種類(lèi)以及纖維搭接長(zhǎng)度。

所述上下兩層纖維與粘接材料層均為二維模型，其中上下兩層纖維使用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，粘接材料層使用cohesive單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；所述屬性值為彈性模量、泊松比和斷裂韌性。

所述確定工藝參數(shù)的原則具體為在過(guò)載情況下復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)由外層向內(nèi)層梯度斷裂或者從內(nèi)層向外層梯度斷裂，同時(shí)必須保證滿足一定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求(最大應(yīng)力值即為最大強(qiáng)度值)。

一種貝殼仿生復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化制造工藝，包括以下步驟：利用自動(dòng)纖維鋪放設(shè)備，仿照貝殼微觀結(jié)構(gòu)特征，使用非連續(xù)纖維逐層鋪疊方式制備復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)。

所述自動(dòng)化制造工藝具體包括以下步驟：

1)生產(chǎn)加工軌跡

根據(jù)最終確定的復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，生成加工過(guò)程中自動(dòng)纖維鋪放設(shè)備所需要的加工軌跡，同時(shí)輸出自動(dòng)纖維鋪放設(shè)備加工過(guò)程中所需要的動(dòng)作控制代碼，保證纖維局部剪斷后能夠連續(xù)送出；

2)復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)整體成型

根據(jù)得到的加工軌跡與動(dòng)作控制代碼，利用自動(dòng)纖維鋪放設(shè)備逐層堆疊成型；

3)復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)固化

堆疊成型后進(jìn)行固化，最終制成復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)。

所述自動(dòng)纖維鋪放設(shè)備具有在機(jī)剪切與重送的功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)纖維剪斷后連續(xù)的送出。

當(dāng)選用預(yù)浸帶形式的纖維材料時(shí)，采用熱壓罐工藝進(jìn)行固化；當(dāng)選用干纖維時(shí)，固化工藝為RTM或RFI。

所述復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的多層單向非連續(xù)纖維鋪層，每層鋪層中包括并行排列的多束非連續(xù)纖維，單束非連續(xù)纖維是由多個(gè)同種纖維材料的纖維段按照首尾相接的方式串接而成的線型結(jié)構(gòu)，相鄰鋪層的非連續(xù)纖維按束對(duì)齊，并且相對(duì)齊的兩束非連續(xù)纖維中纖維段的串接位置不重合，形成沿非連續(xù)纖維延伸方向排列的雙層纖維搭接結(jié)構(gòu)，雙層纖維搭接結(jié)構(gòu)的拉伸韌性沿鋪層層疊方向自外向內(nèi)或自內(nèi)向外梯度變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明通過(guò)模仿貝殼的不連續(xù)堆疊結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，在不添加其它材料的情況下，利用不同的搭接長(zhǎng)度使復(fù)合材料表現(xiàn)出韌性特性。同時(shí)，本發(fā)明利用自動(dòng)鋪絲技術(shù)中的自動(dòng)剪切與重送功能，實(shí)現(xiàn)了上述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制備。制備方法簡(jiǎn)單易行，不必額外增加復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量，同時(shí)不必改變?cè)械某尚凸に嚬ば?。本發(fā)明加工效率高，用途廣泛，可以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船體、飛行器等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為雙層纖維拉伸仿真模型(有限元模型)，其中，1-1為上層纖維，1-2為下層纖維，1-3為中間的樹(shù)脂層，F(xiàn)為拉伸載荷。

圖2為不同搭接長(zhǎng)度下應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中曲線A對(duì)應(yīng)搭接長(zhǎng)度為10mm情況，曲線B對(duì)應(yīng)搭接長(zhǎng)度為15mm情況。

圖3為自動(dòng)鋪絲設(shè)備鋪放工序流程圖。

圖4為本發(fā)明制造工藝示意圖，其中，4-1為鋪絲頭壓輥，4-2為纖維，4-3為芯模。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明旨在結(jié)合自動(dòng)鋪絲設(shè)備制造工藝過(guò)程，在不添加其它材料的前提下，使復(fù)合材料拉伸過(guò)程中產(chǎn)生一定韌性表現(xiàn)。同時(shí)設(shè)計(jì)一種層合板結(jié)構(gòu)，在發(fā)生破壞時(shí)可以實(shí)現(xiàn)梯度破壞。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用熱固性碳纖維預(yù)浸帶材料，結(jié)合自動(dòng)鋪絲工藝，設(shè)計(jì)并制造一種內(nèi)部鋪層韌性優(yōu)于外部鋪層韌性的兩級(jí)梯度樹(shù)脂基復(fù)合材料層合板。具體方法為：

1)不同纖維搭接長(zhǎng)度下，最大強(qiáng)度和變形量的計(jì)算。纖維搭接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型參見(jiàn)圖1，該模型有上層纖維1-1、中間的樹(shù)脂層1-3和下層纖維1-2組成。纖維鋪層厚度為0.125mm，先假設(shè)纖維的搭接長(zhǎng)度為10mm，在仿真軟件中構(gòu)建上述簡(jiǎn)化模型，纖維方向?yàn)槔旆较?，纖維方向的彈性模量E1為233.130Gpa，泊松比v1為0.2，垂直纖維方向的彈性模量E2為2.311Gpa，泊松比v2為0.2，樹(shù)脂選用牌號(hào)為T(mén)F1408的環(huán)氧樹(shù)脂，其彈性模量E為2.85Gpa，泊松比v為0.37，斷裂韌性G_ⅡC為0.79。根據(jù)上述材料參數(shù)對(duì)模型賦值并劃分網(wǎng)格(上下兩層纖維使用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，粘接材料層使用cohesive單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分)。然后將上層纖維1-1、中間的樹(shù)脂層1-3和下層纖維1-2粘貼在一起，同時(shí)，將模型中上層纖維1-1左端固定右端自由。對(duì)下層纖維1-2設(shè)置為左端自由，在右端施加位移載荷。最后經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得出在搭接長(zhǎng)度為10mm時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。改變搭接長(zhǎng)度為15mm，重復(fù)上述步驟求出應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖2)。

2)仿生梯度復(fù)合材料層合板整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)上述仿真結(jié)果可以得出，當(dāng)搭接長(zhǎng)度為10mm時(shí)，其最大應(yīng)力為1000Mpa，應(yīng)變?yōu)?.4％；當(dāng)搭接長(zhǎng)度為15mm時(shí)，其最大應(yīng)力為1000Mpa，應(yīng)變?yōu)?.2％。依據(jù)由外層向內(nèi)層梯度斷裂的設(shè)計(jì)原則，選擇10mm搭接長(zhǎng)度的鋪層作為內(nèi)鋪層，選擇15mm搭接長(zhǎng)度的鋪層為外鋪層。當(dāng)層合板總厚度為2mm時(shí)，總鋪層厚度為16層，依據(jù)1:1的鋪層比例，分配鋪層為先鋪放15mm搭接4層，再鋪放10mm搭接8層，最后再鋪放15mm搭接4層。

3)生產(chǎn)加工軌跡。將建立的鋪層順序信息導(dǎo)入自動(dòng)鋪絲路徑規(guī)劃軟件，同時(shí)標(biāo)定需要間斷的位置信息。導(dǎo)出鋪絲運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，生成與之配套的加工軌跡文件，其中包括鋪絲頭剪切、加持、重送等動(dòng)作指令信息，參見(jiàn)圖3。

4)仿生梯度復(fù)合材料層合板整體成型。參見(jiàn)圖4，將上述得到的加工軌跡文件導(dǎo)入到自動(dòng)鋪絲設(shè)備，進(jìn)行加工，自動(dòng)鋪絲設(shè)備可以獨(dú)立的控制多束絲束將其同時(shí)鋪放到芯模4-3表面，按照指令信息，對(duì)每束絲分別進(jìn)行剪切和重送，并通過(guò)鋪絲頭壓輥4-1將纖維4-2壓實(shí)到芯模4-3上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)鋪放成型，得到碳纖維預(yù)成型體。

5)仿生梯度復(fù)合材料層合板固化。將上述加工完成的碳纖維預(yù)成型體放入真空熱壓罐中，首先升溫到80℃保溫30分鐘，然后升溫到130℃保溫2個(gè)小時(shí)，其升溫時(shí)間為3分鐘，最后隨爐冷卻至室溫完成固化加工。

固化完成后，采用美國(guó)ASTM 3039D聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，將所設(shè)計(jì)復(fù)合材料層合板制成標(biāo)準(zhǔn)樣件尺寸，樣件寬度為15mm、總長(zhǎng)度為250mm、加強(qiáng)片長(zhǎng)度為56mm、厚度為1.5mm。在拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸過(guò)程中的拉伸位移速率為1mm/min。在試件的破壞過(guò)程中，表現(xiàn)出韌性斷裂性能，成功實(shí)現(xiàn)外層先失效內(nèi)層后失效的破壞效果。

實(shí)施例2

改變實(shí)施例1中步驟2)的鋪層順序，選擇10mm搭接長(zhǎng)度的鋪層作為外鋪層，選擇15mm搭接長(zhǎng)度的鋪層為內(nèi)鋪層，即可設(shè)計(jì)制造一種外部鋪層韌性優(yōu)于內(nèi)部鋪層韌性的兩級(jí)梯度樹(shù)脂基復(fù)合材料層合板，發(fā)生破壞時(shí)，內(nèi)部先破壞，外部后破壞。

總之，本發(fā)明仿照貝殼微觀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合自動(dòng)鋪絲設(shè)備加工過(guò)程中，可以獨(dú)立控制每束絲束加持、剪切和重送的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制造了一種貝殼仿生復(fù)合材料增韌結(jié)構(gòu)(以復(fù)合材料層合板為例)。與傳統(tǒng)成型方法相比，使復(fù)合材料構(gòu)件表現(xiàn)出了一定韌性，充分利用了復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)，復(fù)合材料構(gòu)件逐級(jí)破壞，極大的簡(jiǎn)化復(fù)合材料構(gòu)件使用中的監(jiān)控過(guò)程(例如自外向內(nèi)逐級(jí)破壞)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路，具有極大的促進(jìn)意義。