本發(fā)明屬于復合材料鋪層設(shè)計方法領(lǐng)域，具體涉及一種復合材料鋪層補償設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著復合材料在各行各業(yè)中的應用，對復合材料性能提出了更高的要求，復合材料件的制備屬于增材制造工藝，因此，復合材料的鋪層設(shè)計是提高復合材料性能的主要途徑之一。目前，實現(xiàn)復合材料件面內(nèi)各向同性的方法已經(jīng)明確，但彎曲剛度各向同性的設(shè)計仍是困擾復合材料件尺寸精度的一個難題。目前，常用的方法是通過增加鋪層角度來提高復材件的彎曲各向同性。但是，一方面鋪層角度的增加是有限的；另一方面鋪層角度的增加將增加鋪層可操作性的難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的鋪層設(shè)計方法復雜的問題，而提供一種復合材料鋪層補償設(shè)計方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：

本發(fā)明提供一種復合材料鋪層補償設(shè)計方法，包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)復合材料特性、復合材料層合板結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)和復合材料最終制品的特性，初步確定鋪層角度和各角度的層數(shù)；

步驟二、根據(jù)初步確定的鋪層角度、復合材料制品厚度和單層復合材料厚度，運用正則化幾何因子法，增加或減少單個、幾個或者全部的鋪層角度的層數(shù)，然后采用遍歷法，通過式Ⅰ計算正則化幾何因子V_iD的值，其中，i＝1,2,3,4，當正則化幾何因子法中V_iD最小時，對應的θ_k即為最終鋪層角度和順序；

式Ⅰ，n為鋪層總層數(shù)，k為第k層(離對稱中間面最近的為第1層最遠的為n/2層)，θ_k為第k層的鋪層角度。

優(yōu)選的是，當i＝3,4，V_iD＝0時，可避免彎扭耦合。

優(yōu)選的是，所述的復合材料為碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明提供一種復合材料鋪層補償設(shè)計方法，該方法是在給定初始鋪層角度的基礎(chǔ)上，通過增減單個、多個或者全部鋪層角度的層數(shù)來逐步逼近及至實現(xiàn)復合材料彎曲各向同性。該補償設(shè)計方法一方面可有效的逼近實施復合材料鋪層的彎曲各向同性，使復合材料件形狀精度與制作模具面型匹配精度更高、性能提高更大；另一方面可以克服由于制件厚度和鋪層角度個數(shù)限制(p的取值太大將難以實現(xiàn)鋪層)實施彎曲各向同性厚復合材料件的制作。實驗結(jié)果表明：本發(fā)明的補償設(shè)計方法可有效實施復合材料的彎曲各向同性設(shè)計，使其全局最優(yōu)解減小91.6％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中補償組數(shù)與全局最優(yōu)解的關(guān)系；

圖2為本發(fā)明實施例2中補償組數(shù)與全局最優(yōu)解的關(guān)系。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種復合材料鋪層補償設(shè)計方法，包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)復合材料特性、復合材料層合板結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)和復合材料最終制品的特性，初步確定鋪層角度[a₁,a₂,······,a_p]和鋪層總層數(shù)n，其中，a為鋪層角度，p為鋪層角度個數(shù)；

按照本發(fā)明，所述的根據(jù)復合材料特性、復合材料層合板結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)和復合材料最終制品的特性，初步確定鋪層角度和各角度的層數(shù)的方法沒有特殊限制，是根據(jù)本領(lǐng)域公知的方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員按照復合材料的特性、要達到的復合材料的最終特性初步確定的。

步驟二、根據(jù)初步確定的鋪層角度[a₁,a₂,······,a_p]、鋪層總層數(shù)n，復合材料制品厚度和單層復合材料厚度，在保證總層數(shù)不變的情況下，運用正則化幾何因子法，增加或減少單個、幾個或者全部的鋪層角度的層數(shù)，然后采用遍歷法確定其在層合板中不同位置的最優(yōu)組合，通過式Ⅰ比較計算正則化幾何因子V_iD的值，其中，i＝1,2,3,4，D代表彎曲剛度，當正則化幾何因子法中V_iD最小時，為全局最優(yōu)解，即確定為當前補償后的最優(yōu)彎曲各向同性鋪層，對應的θ_k即為最終鋪層角度和順序；當V_iD(i＝3,4)＝0時可避免彎扭耦合。

式Ⅰ中，n為鋪層總層數(shù)，k為第k層(離對稱中間面最近的為第1層最遠的為n/2層)，θ_k為第k層的鋪層角度。

按照本發(fā)明，所述的正則化幾何因子法、遍歷法為本領(lǐng)域熟知的方法，沒有特殊限制。

按照本發(fā)明，所述的復合材料沒有特殊限制，優(yōu)選為碳纖維復合材料或玻璃纖維復合材料。

按照本發(fā)明，所述的復合材料鋪層補償設(shè)計方法不局限于整體厚度統(tǒng)一設(shè)計，可根據(jù)實際需要將整體厚度且分為等厚度的多個單元，對單元進行鋪層設(shè)計后依次組合成整體鋪層。

下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明，以單向預浸料制備碳纖維平面反射鏡的鋪層補償為例說明本發(fā)明。

實施例1

步驟一、根據(jù)復合材料特性、復合材料層合板結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)和復合材料最終制品的特性，初步確定鋪層角度為[0 90 -45 45]和鋪層總層數(shù)n為8；

步驟二、對初步確定的鋪層角度[0 90 -45 45]引入補償思路和遍歷計算結(jié)果如下所示：

1、對[0 90 -45 45](補償零組)進行遍歷(即獲得各種可能鋪層順序，存在p個鋪層角度，故可有p！＝p×(p-1)×(p-2)···2×1，本組有4個鋪層角度，故有24種情況，下文類同)，存在24種情況，運用公式Ⅰ，計算每一種鋪層順序的V_iD(i＝1,2,3,4)的和，和的最小值即為全局最優(yōu)解，本組全局最優(yōu)解的值為7.50，對應最優(yōu)解有多種鋪層順序，它們是等價的，在此只取其中一種鋪層，下文不做特殊說明則類同，鋪層角度為[-45 0 90 45]；

2、對[0 90 -45₂ 45₂](2表示對應于該鋪層角度的鋪層數(shù)量(下文相同，不再贅述)，即補償一組[-45 45])進行遍歷，存在180種情況，全局最優(yōu)解為3.48，鋪層角度為[0 -45 45 90 45 -45]；局部最優(yōu)解為7.19，即存在V_iD(i＝3,4)＝0，鋪層角度為[-45 45 45 0 -45 90]。

3、對[0 90 -45₃ 45₃](補償兩組[-45 45])進行遍歷，存在1120種情況，全局最優(yōu)解為1.625，鋪層角度為[0 -45 90 45 45 45 -45 -45]；局部最優(yōu)解為3.625，即存在V_iD(i＝3,4)＝0，鋪層角度為[0 -45 45 45 90 -45 -45 45]。

4、對[0 90 -45₄ 45₄](補償三組[-4545])進行遍歷，存在6300種情況，全局最優(yōu)解和局部最優(yōu)解均為0.624，鋪層角度均為[0 90 -45 45 45 -45 45 -45 -45 45]。

5、對[0 90 -45₅ 45₅](補償四組[-45 45])進行遍歷，存在33264種情況，全局最優(yōu)解和局部最優(yōu)解均為3.148，鋪層角度均為[0 90 -45 45 -45 45 45 45 -45 -45 -45 45]。

圖1為本發(fā)明實施例1中補償組數(shù)與全局最優(yōu)解的關(guān)系，從圖1可以看出，全局最優(yōu)解隨鋪層補償組數(shù)的增加先減小后增大，所以最優(yōu)鋪層為補償三組時的鋪層，且此時也是局部最優(yōu)解，可避免彎扭耦合。同時，可得到鋪層補償能有效減小全局最優(yōu)解，有效實施彎曲剛度各向同性設(shè)計，本例中目標函數(shù)值(全局最優(yōu)解)減小91.6％。

實施例2

對確定某些鋪層角度的層數(shù)，運用補償鋪層的思路對剩余角度的鋪層實施鋪層補償設(shè)計

步驟一、根據(jù)復合材料特性、復合材料層合板結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)和復合材料最終制品的特性，初步確定鋪層角度為[0₂ 90₂]；

步驟二、對初步確定的鋪層角度[0₂ 90₂]引入±45度補償角度和遍歷計算結(jié)果如下所示：

1、對[0₂ 90₂ -45 45](即n＝1，補償一組[-4545])進行遍歷，存在180種情況，全局最優(yōu)解為3.48，鋪層角度為[-45 0 90 45 90 0]。

2、對[0₂ 90₂ -45₂ 45₂](即n＝2，補償兩組[-45 45])進行遍歷，存在2520種情況，全局最優(yōu)解為1.5，鋪層角度為[-45 0 90 45 90 45 -45 0]。局部最優(yōu)解為1.5，鋪層角度為[0 -45 45 90 45 90 0 -45]。

3、對[0₂ 90₂ -45₃ 45₃](即n＝3，補償三組[-45 45])進行遍歷，存在25200種情況，全局最優(yōu)解為0.464，鋪層角度為[0 -45 90 45 45 90 45 -45 -45 0]。局部最優(yōu)解為0.56，鋪層角度為[90 0 -45 45 45 -45 0 45 -45 90]。

4、對[0₂ 90₂ -45₄ 45₄](即n＝4，補償四組[-45 45])進行遍歷，存在207900種情況，全局最優(yōu)解為0.148，鋪層角度為[0 -45 90 45 45 90 45 -45 45 0 45 -45 -45]。局部最優(yōu)解為0.1852，鋪層角度為[0 -45 90 45 90 45 45 -45 -45 0 -45 45]。

5、對[0₂ 90₂ -45₅ 45₅](即n＝5，補償五組[-45 45])進行遍歷，存在1513512種情況，全局最優(yōu)解為0.122，鋪層角度為[0 90 -45 45 -45 90 45 0 45 45 45 -45 -45 -45]。局部最優(yōu)解為0.157，鋪層角度為[-45 90 0 45 0 90 45 45 -45 45 -45 -45 45 -45]。

6、對[0₂ 90₂ -45₆ 45₆](即n＝6，補償六組[-45 45])進行遍歷，存在10090080種情況，全局最優(yōu)解為0.039，鋪層角度為[-45 0 90 90 0 45 45 -45 45 45 45 -45 45 -45 -45 -45]。局部最優(yōu)解為0.039，鋪層角度為[-45 90 0 0 90 45 45 -45 45 45 45 -45 45 -45 -45 -45]。

圖2為本發(fā)明實施例2中補償組數(shù)與全局最優(yōu)解的關(guān)系，從圖2可以看出，全局最優(yōu)解隨補償層數(shù)的增加而減小，當補償組數(shù)為6時，全局最優(yōu)解趨近于零，有效實施了彎曲剛度各向同性的設(shè)計。若要滿足面內(nèi)各向同性也可選擇[0₂ 90₂ -45₂ 45₂]鋪層。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。