[发明专利]一种变刚度纤维复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种高性能纤维复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

纤维复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一系列优异性能，被广泛应用于航空航天、航海、国防、交通运输、土木建筑、能源、化工机械、体育娱乐等领域。随着复合材料在航空航天和高性能民用领域的应用发展，在提高复合材料结构性能的同时，对结构重量和制造成本提出了更高要求。

传统的纤维复合材料层合板通常采用平行顺直纤维铺放形成的复合材料叠层制备，且为了简化设计和施工便利，工程中经常采用0°、±45°和90°铺层方向，设计自由度受到很大限制，不能充分发挥纤维的承力性能，且采用传统织物制备纤维预成型体时产生大量的边角废料，浪费量大。

随着自动化技术和先进纤维铺放技术的发展，为充分发挥纤维力学性能，可通过控制纤维丝束的牵引方向，在各单层内可自由设计随空间位置连续变化的纤维取向。

现有的纤维轨迹优化方法大多数是根据构件主应力的大小和方向确定一条初始参考线(纤维轨迹与主应力方向保持一致)，然后通过等距偏移得到一组参考线来完成整个构件曲面的轨迹规划。该法设计参数少，算法简单，较易实现，但是容易产生纤维重叠、排布不连续、空隙或者因曲率约束生成不可行轨迹等问题，对复合材料层合板的性能产生不利影响，甚至可能增加成型工艺的复杂性。

为了充分利用纤维自由取向的设计特点发挥复合材料的各向异性性能，另外一种方法是将构件离散成若干“单胞”层合板，采用层合板参数对各个“单胞”层合板进行性能分析得到整体性能的空间分布情况，然后优化纤维的轨迹。该法设计变量较多，设计自由度大，能显著提高变刚度复合材料的性能，但是计算量过大，效率低下，同时易产生纤维排布不规则、不连续问题，制造困难，难以在实际中应用。

综上所述，本领域迫切需要一种设计自由度大，算法简单，效率高，纤维排布规则有序，纤维优化轨迹容易铺放成型，成型工艺简单的纤维轨迹优化方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种参数少，易于计算，成型工艺简单，成本低，适合工业化生产的纤维轨迹优化方法。

本发明的第一方面，提供了一种纤维复合材料(尤其是变刚度纤维复合材料)制件的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)对复合材料制件在实际工况下的受力情况进行静力分析，得到制件各结点的主应力大小及方向分布的数据(或情况)，从而确定主应力集中区域和主应力方向；

(2)根据主应力集中区域大小和主应力方向对制件性能的影响程度，将制件分成多个小区域，针对每个小区域的主应力分布特征，设计与优化参数关联的曲线族函数，所述曲线族函数用于描述纤维的轨迹；

(3)采用非线性加权最小二乘法，根据制件的主应力分布情况，对纤维轨迹进行优化，从而得到制件的优化纤维轨迹；

(4)按照优化纤维轨迹，采用纤维丝束制备纤维预成型体；和

(5)通过复合材料成型工艺，将所述的纤维预成型体制备成纤维复合材料制件。

在另一优选例中，所述的优化纤维轨迹是最优纤维轨迹。

在另一优选例中，步骤(1)中，通过有限元软件(如Ansys、Abaqus等)对受力情况进行分析。

在另一优选例中，将整个制件分成2-100个小区域，较佳地2-30个小区域，更佳地分成2-15个。

在另一优选例中，将制件的主应力集中区域分成至少2个，较佳地至少4个。

在另一优选例中，在步骤(3)中，根据制件的各小区域的主应力大小和方向分布，对纤维轨迹进行优化。

在另一优选例中，在优化时，以主应力大小为权数，在主应力大的区域，权数也大；在主应力小的区域，权数也较小，并采用非线性加权最小二乘法对层合板纤维轨迹进行优化，得到层合板的优化或最优纤维轨迹。

在另一优选例中，优化或最优纤维轨迹的方向或者纤维丝束的方向与主应力的方向吻合或基本吻合；和/或

在主应力大的区域，优化或最优纤维轨迹的密度或者纤维丝束的铺放密度较大；在主应力小的区域，优化或最优纤维轨迹的密度或者纤维丝束的铺放密度较小。

在另一优选例中，步骤(3)中的纤维轨迹优化步骤还包括：删减实施例的孔周边部分受压应力的纤维轨迹，得到进一步优化的纤维轨迹。

在另一优选例中，所述的制件是具有开孔的制件，或所述的制件具有需要加强的区域(如开孔区域)。

在另一优选例中，所述步骤(2)中的优化参数选自下组：纤维方向角、铺层厚度、纤维铺放密度，或其组合。