[发明专利]各向异性复材制件热压罐成形复材工装模板设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及各向异性复合材料制件的热压罐成形复合材料工装模板设计方 法。属于各向异性复合材料制件热压罐成形工装设计技术领域。

背景技术

先进复合材料的最大优点是比强度高和比模量高，另一特点是具有可设计 性，即通过改变铺层角度、铺层顺序、铺层厚度和纤维含量，以获得制件设计所 需性能。以树脂为基体的纤维增强复合材料已在航空航天，军工及民用等诸多领 域广泛应用。

复合材料的性能除了取决于纤维和基体材料本身的性能外，还取决于纤维的 含量和铺设方式。利用复合材料的可设计性，通过设计细观结构，可实现制件设 计的各向异性，即强度、热膨胀系数等力学和物理性能在各个方向上不同。这种 基于结构设计观点设计材料的方法已成为各向异性材料设计的一种有效的途径。 但具体应用在复合材料工装模板设计上还处于空白。

目前，制备复合材料制件的工装主要以20钢、铝合金和INVAR钢等为主， 这些材料各向热膨胀系数相同，能满足固化成形各向同性复合材料制件的要求。 而对具有强烈各向异性要求的复合材料制件，以上材料难以实现与制件各向热膨 胀系数匹配，见图1。

发明内容

本发明目的在于，采用低温成形高温使用的复合材料作工装模板材料，基于 树脂基纤维增强复合材料具有可设计性的特点，通过设计工装材料的铺层方式， 使得工装和制件的各向热膨胀系数一致。由本发明提供的设计方法，解决了在热 压罐成形过程中各向异性复合材料制件与工装模板各向热膨胀系数难以匹配的 问题，提高了制件精度，保证了产品质量。

本发明的设计方案：

一种各向异性复合材料制件热压罐成形工装模板设计方法，适用于热压罐成 形复合材料制件的固化工艺曲线和铺层信息已知的前提条件下进行，其特征在于 具体方法如下：

第一步：由已知的制件铺层信息及工程常量，通过计算获得制件各个方向上 的热膨胀系数；

第二步：采用低温成形高温使用的复合材料作工装模板材料，根据制件的热 膨胀系数，设计工装材料的铺层方式，使制件和工装的各向热膨胀系数相匹配， 绝对误差小于10％，通过计算，两者的热膨胀系数超出误差范围，重新进行铺层 设计，从而使两者的变形一致；

上述第一步、第二步涉及公式如下，其中根据制件复合材料的不同形式分别 采用下面两组公式：

对于制件为单向纤维增强的层合板：

已知：平面内力状态下，单层板有四个独立的弹性常数：E_L、E_T、v_LT、v_TL、 G_LT，E_L、E_T分别为单层板面内横向和纵向弹性模量；v_LT、v_TL分别为单层板 面内横向和纵向泊松比；G_LT为面内剪切模量；则单层板主轴方向的二维刚度矩 阵为：

[Q]=Q11Q120Q21Q22000Q66---(1)]]>

令：m＝(1-v_LTv_TL)^-1，其中：