[发明专利]含孔复合材料结构件整体化成形方法

说明书

公开了一种用于含孔的热塑性复合材料结构件整体化成形的方法，包括：对孔构件损伤机理的研究；根据孔构件的应力分布与损伤演化规律建立孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型，根据该模型确定孔边关键区域，并对关键区域内的纤维走向进行优化，根据优化结果得到的纤维铺放路径在孔边缘附近的关键区域内环绕孔进行变角度铺放，得到底孔，固化后再对其进行精加工得到满足精度要求的孔。该方法能够有效减少热塑性复合材料孔零件的纤维断裂，优化内力分布，提高孔零件的力学性能。

技术领域

本公开涉及复合材料铺放成形领域，具体涉及一种含孔的热塑性复合材料结构件整体化成形的方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料具有比强度、比刚度高、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等优点，因而广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域。根据基体树脂的差异，复合材料可以分为热固性复合材料和热塑性复合材料。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有成形工艺简单、易回收、可焊接以及制造成本低等优点。

传统的机械加工方法是目前复合材料零件上的孔加工的主要手段，但由于复合材料的性质与金属不同，在复合材料的加工中无法直接沿用金属材料的工艺。碳纤维增强热塑性复合材料具有层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大等特点，是典型的难加工材料。

由于传统机械加工对于复合材料的损伤较大，越来越多的特种加工方式被应用在了复合材料加工上，主要包括电火花加工、激光加工、磨料水射流加工以及超声辅助加工。高速电火花穿孔加工方法，能有效解决传统切削加工时的粉尘，但其放电中心的瞬时温度高达10000℃，不可避免的会产生热影响区，高温易引起入口和出口处的毛刺、翻边以及孔内壁的分层损伤。激光加工过程无刀具磨损，加工灵活性高，但在大去除量的加工中容易产生较严重的表面烧伤。由于纤维具有毛细现象，并且一些使用途径的纤维增强复合材料结构件的加工过程必须进行干切削，因而磨料水射流加工的应用也被局限。超声振动辅助切削加工，通过机械切削作用、高频冲击作用以及超声空化作用对材料进行去除，改善了切削工况，但实际应用中尚不够成熟，长期稳定性有待验证。

综上所述，无论是传统的机械加工还是新型的特种加工都是采用先铺放再制孔的方式，导致在二次加工的过程中给复合材料结构带来损伤和缺陷，使零件在使用过程中破坏的风险增加。

发明内容

本公开提供一种含孔复合材料结构件整体化成形方法，尽可能减少对复合材料进行二次加工时带来的纤维断裂与分层损伤，同时优化孔构件整体化成形的铺放路径。

本公开的至少一个实施例提供一种含孔复合材料结构件整体化成形方法，包括：根据结构件的应力分布与损伤演化规律建立孔边纤维铺放角度梯度变化理论模型，根据该模型确定孔边关键区域，并对关键区域内的纤维走向进行优化，根据优化结果得到的纤维铺放路径在孔边缘附近的关键区域内环绕孔进行变角度铺放。

在一些示例中，结构件的应力分布与损伤演化规律分析方法包括：

根据孔零件的结构特征，初始采用一定纤维走向、铺层顺序、单层厚度，建立三维有限元模型，根据实际工况施加载荷/边界约束，通过静力学分析确定结构件应力分布及最大应力和应变出现的位置；利用失效准则判断纤维和基体发生失效的单元，获得损伤扩展与破坏形貌演化规律；

建立温度-力学参数本构模型，根据该本构模型计算结构件的固化变形与残余热应力，同时得到其对结构强度与损伤失效的影响。

在一些示例中，在环绕孔进行变角度铺放过程中先得到底孔，固化后再采用电火花加工、激光加工、磨料水射流加工、超声辅助加工中的一种或多种加工方法对其进行加工得到满足精度要求的孔。

在一些示例中，纤维铺放路径确定方法包括：