[发明专利]一种复合材料铺层补偿设计方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料铺层设计方法领域，具体涉及一种复合材料铺层补偿设计方法。

背景技术

随着复合材料在各行各业中的应用，对复合材料性能提出了更高的要求，复合材料件的制备属于增材制造工艺，因此，复合材料的铺层设计是提高复合材料性能的主要途径之一。目前，实现复合材料件面内各向同性的方法已经明确，但弯曲刚度各向同性的设计仍是困扰复合材料件尺寸精度的一个难题。目前，常用的方法是通过增加铺层角度来提高复材件的弯曲各向同性。但是，一方面铺层角度的增加是有限的；另一方面铺层角度的增加将增加铺层可操作性的难度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的铺层设计方法复杂的问题，而提供一种复合材料铺层补偿设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供一种复合材料铺层补偿设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据复合材料特性、复合材料层合板结构力学性质和复合材料最终制品的特性，初步确定铺层角度和各角度的层数；

步骤二、根据初步确定的铺层角度、复合材料制品厚度和单层复合材料厚度，运用正则化几何因子法，增加或减少单个、几个或者全部的铺层角度的层数，然后采用遍历法，通过式Ⅰ计算正则化几何因子V_iD的值，其中，i＝1,2,3,4，当正则化几何因子法中V_iD最小时，对应的θ_k即为最终铺层角度和顺序；

式Ⅰ，n为铺层总层数，k为第k层(离对称中间面最近的为第1层最远的为n/2层)，θ_k为第k层的铺层角度。

优选的是，当i＝3,4，V_iD＝0时，可避免弯扭耦合。

优选的是，所述的复合材料为碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

本发明的有益效果

本发明提供一种复合材料铺层补偿设计方法，该方法是在给定初始铺层角度的基础上，通过增减单个、多个或者全部铺层角度的层数来逐步逼近及至实现复合材料弯曲各向同性。该补偿设计方法一方面可有效的逼近实施复合材料铺层的弯曲各向同性，使复合材料件形状精度与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铺层角度个数限制(p的取值太大将难以实现铺层)实施弯曲各向同性厚复合材料件的制作。实验结果表明：本发明的补偿设计方法可有效实施复合材料的弯曲各向同性设计，使其全局最优解减小91.6％。

附图说明

图1为本发明实施例1中补偿组数与全局最优解的关系；

图2为本发明实施例2中补偿组数与全局最优解的关系。

具体实施方式

本发明提供一种复合材料铺层补偿设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据复合材料特性、复合材料层合板结构力学性质和复合材料最终制品的特性，初步确定铺层角度[a₁,a₂,······,a_p]和铺层总层数n，其中，a为铺层角度，p为铺层角度个数；

按照本发明，所述的根据复合材料特性、复合材料层合板结构力学性质和复合材料最终制品的特性，初步确定铺层角度和各角度的层数的方法没有特殊限制，是根据本领域公知的方法，本领域技术人员按照复合材料的特性、要达到的复合材料的最终特性初步确定的。

步骤二、根据初步确定的铺层角度[a₁,a₂,······,a_p]、铺层总层数n，复合材料制品厚度和单层复合材料厚度，在保证总层数不变的情况下，运用正则化几何因子法，增加或减少单个、几个或者全部的铺层角度的层数，然后采用遍历法确定其在层合板中不同位置的最优组合，通过式Ⅰ比较计算正则化几何因子V_iD的值，其中，i＝1,2,3,4，D代表弯曲刚度，当正则化几何因子法中V_iD最小时，为全局最优解，即确定为当前补偿后的最优弯曲各向同性铺层，对应的θ_k即为最终铺层角度和顺序；当V_iD(i＝3,4)＝0时可避免弯扭耦合。

式Ⅰ中，n为铺层总层数，k为第k层(离对称中间面最近的为第1层最远的为n/2层)，θ_k为第k层的铺层角度。

按照本发明，所述的正则化几何因子法、遍历法为本领域熟知的方法，没有特殊限制。