[发明专利]一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法

说明书

本发明属于复合材料铺层设计方法领域，具体涉及一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法。该方法是基于螳螂虾的鳌棒抗冲击纤维结构与功能启示，通过线性递增铺层角度θ_i，按照铺层堆叠成对称螺旋状层合板。该铺层设计方法一方面可有效的弱化纤维增强层状复合材料固有的各向异性，另一方面通过不同纤维取向的相互耦合与协同作用，提升层状复合材料层间性能。理论分析结果表明：本发明的仿生螺旋铺层设计方法可有效提升层状复合材料的层间剪切强度。

技术领域

本发明属于复合材料铺层设计方法领域，具体涉及一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法。

背景技术

随着复合材料在各个领域的广泛应用，对其性能提出了更高的要求。复合材料层压板的制备属于增材制造范畴，因此，复合材料层压板的铺层设计是提高性能的主要途径之一。目前，提升层压板层间剪切性能的方式主要有缝合、三维编织和植入Z-pin等，但这些技术都会带来层状面内性能的降低的影响，同时也增加了制备工艺可操作性的难度。

随着现代仿生学的快速发展，仿生学与其他学科相互渗透与影响已成为主流。目前，仿生科学与材料科学相结合，设计出大量新型复合材料，已成为现代科研工作研究发展的重要组成部分。螳螂虾凭借其非常耐受冲击的鳌棒备受关注。鳌棒的冲击部位主要是由矿化甲壳素纤维经螺旋状排列所组成的周期区起作用，其耗散冲击能量保证材料韧性。通过引入螺旋铺层可减弱层状复合材料层间剪切应力，提高层压板的断裂韧性和抗冲击性，减弱由脆性断裂引起的灾难性破坏程度。因此，这种仿生复合材料螺旋铺层设计方法一方面弱化制备工艺的操作难度且不引入复合材料面内性能的降低，一方面在层状复合材料承载时起到剪切应力重新分布的作用，提升层状复合材料的层间性能。这对碳纤维复合材料在航空航天等工程领域的发展具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的提升层压板层间性能的技术的复杂问题，提供一种从铺层设计出发的简易方法来提高层压板的层间剪切性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种仿生复合材料螺旋铺层设计方法，其包括以下步骤：

S1：确定层压板总铺层数N；

S2：根据确定的总铺层数N，从0度铺层开始每层递增螺旋角度θ_i，将层状复合材料按照的铺层顺序叠合成对称的层压板；

S3：对于每个待选的线性递增旋转角θ_i，采用基于梁理论和经典层合板理论的分析方法，针对该线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板，预测其在横力弯曲下的理论层间剪切应力，其中第k层层状复合材料的层间剪切应力值τ_xz^(k)计算公式为：

式中，k表示层状复合材料的层数，离层压板的对称中间面最近的一层为第一层，最远的为层；z_j和z_j-1分别为第j层层状复合材料的下表面和上表面与对称中间面的距离，P为对层压板施加的横向载荷，b为层合梁的宽度，为第j层层状复合材料的偏轴刚度矩阵系数， D₁₁为层合梁弯曲刚度矩阵系数；

S4：确定每个线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板中的正则化层间剪切应力峰值选择使最小的线性递增旋转角θ_i为层压板的最优螺旋角度θ，层压板中的铺层顺序为

作为优选，对于任意线性递增旋转角θ_i下叠合的层压板，层合梁在受到横力弯曲载荷时层间剪切应力沿厚度方向上的分布近似抛物线，正则化层间剪切应力峰值位于层压板中间：

作为优选，线性递增旋转角θ_i应当满足

作为优选，所述的层状复合材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料。