[发明专利]一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法

说明书

本发明提供一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，步骤如下：建立变刚度面板内纤维铺放变角度轨迹的数学模型，分析基于平面上自由曲线变角度轨迹的插补算法和丝束间距平移算法；建立夹芯板的三维数学模型，并对其进行受力情况分析，得到制件各个结点的主应力大小及分布情况；根据主应力的分布情况，建立面板表面的纤维变角度轨迹的数学模型，并构造插值曲线；以铺放角度为约束条件，以一阶屈曲载荷最大为目标函数，利用优化算法对铺放角度进行求解；设计芯子的空间结构，并通过优化算法对其几何参数进行优化；通过成型工艺，将面板与芯子进行共塑化成型，显著提高夹芯板的抗拉强度和结构性能，使得点阵夹芯板的整体性能增强且制备过程简单。

技术领域

本发明涉及复合材料设计制造技术领域，尤其涉及一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法。

背景技术

与常规的纤维增强热固性复合材料相比，纤维增强热塑性材料具有轻质高强、保护期限长的优势，且热塑性复合材料可采用多种方法制造且加工时间短，更可再成型及修复，所以热塑性复合材料的应用越来越广泛。

变刚度层合板是采用纤维曲线铺放的方式，其同一层的铺层角度是连续变化的，铺层刚度也随着纤维角度的改变而变化，因此极大地提高了热塑性复合材料层合板的可设计性，可通过纤维铺设路劲的设计来改变结构刚度，进而提高热塑性复合材料层合板的力学性能。

复合材料点阵夹芯结构是为了满足工程结构轻型化和多功能化要求而设计出来的一种新型结构，现有复合材料制作的点阵夹芯板主要存在以下缺点：1)面板多为薄壁件，导致夹芯板极限承载能力较低；2)芯子常由嵌锁组装而成，其抗拉强度低；3)芯子拓扑结构单一，芯子部分单胞封闭，不易实现多功能性，且易造成水汽凝结，增加夹芯板重量，使其失效；4)夹芯板应力集中处刚度不易改变；5)面板和芯子连接多为粘接或焊接，导致连接处易发生面板和芯子之间的剥离失效；6)夹芯板边界力学性能差，受压易压溃失效。

发明内容

本发明公开的一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，解决了现有复合材料点阵夹芯结构存在的问题，显著提高了夹芯板的抗拉强度和结构性能，使得点阵夹芯板的整体性能增强且制备过程简单。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开一种热塑性复合材料变刚度夹芯结构的成型方法，包括以下步骤：

建立热塑性复合材料变刚度面板内纤维铺放变角度轨迹的数学模型，分析基于平面上自由曲线变角度轨迹的插补算法和丝束间距平移算法；

建立热塑性复合材料夹芯板的三维数学模型，并对其进行受力情况分析，得到制件各个结点的主应力大小及分布情况；

根据主应力的分布情况，建立热塑性复合材料变刚度面板表面的纤维变角度轨迹的数学模型，并构造插值曲线；

以铺放角度为约束条件，以一阶屈曲载荷最大为目标函数，利用优化算法对铺放角度进行求解；

设计热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的空间结构，并通过优化算法对其几何参数进行优化；

通过成型工艺，将热塑性复合材料变刚度面板与芯子进行共塑化成型。

进一步地，所述热塑性复合材料包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的至少一种。

进一步地，所述热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子由嵌条嵌锁组装，通过热压工艺熔融连接而成。

进一步地，通过优化算法对热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子进行几何参数优化的步骤包括：

选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的设计变量；

选取热塑性复合材料变刚度夹芯结构中芯子的优化目标；