[发明专利]一种任意开口球面纤维网格构造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料结构设计制造领域。

背景技术

纤维增强复合材料结构具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、破坏时不易产生碎片等显著优点而广泛的应用于航空航天、汽车舰艇、建筑工程、高端运动器材等领域，其结构性能好、质量轻，在减轻自重的同时还能改善抗震性能，今后将更广泛的取代钢材等传统金属工业材料，具有广阔的发展前景。

纤维增强型复合材料结构的加工工艺比较复杂，目前主要通过铺层与缠绕方式实现。其中纤维缠绕工艺可适用于大多数回转体，尤其是筒形容器。球形容器相比筒形容器具有突出的优点，其容积与表面积比值最小、球形容器在内压下经纬向应力相等，且仅为筒形容器环向应力的一半，在航空航天、深海等领域，只有应用球形复合材料结构才能最大限度地满足设计与性能需求。对于存在不对称开口的球形复合材料容器，目前一般采用类测地线缠绕方式，依靠摩擦力来防止缠绕过程的滑线现象，当开口直径较大时，缠绕角增大，则摩擦力不足以提供防止滑线所需要的力，因此开口直径受限。另一方面，由于缠绕工艺需要在球形容器两端设置极孔，在极孔边缘纤维容易大量堆积造成应力分布不均匀，直接影响结构性能。

发明内容    

    本发明针对不对称大开口球形复合材料结构，基于球面测地线理论提出了一种任意开口球面纤维网格构造方法，避免了缠绕工艺过程的滑线现象和极孔边缘的纤维堆积，使得制成的大开口球形复合材料结构具有均匀良好的应力分布。

一种任意开口球面纤维网格构造方法，步骤如下：

1）建立球的内接二十面体；

2）连接各顶点生成二十面体的各三角形平面；

3）将各三角形平面剖分，生成新的三角形和多面体，不断逼近球面；

4）将新的三角形组成的网格投影到球面，生成球面测地线网格，对于存在开口的球面，滤去开口处的节点和网格；

5）将纤维按照步骤4）得到的球面测地线网格通过编织、喷射等方法成型。

步骤3）将各三角形平面剖分，是将各三角形的各边的中点连接之后形成新的三角形和多面体。

步骤5）所述的纤维包括以下中的一种或多种：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维。

本发明的有益效果：应用本发明，可以实现任意不对称大开口球壳的纤维网格增强，所适用的纤维种类广泛，且纤维分布均匀，克服了通常大开口球体缠绕过程的纤维滑移和堆积问题；同时还具有成型过程无需极孔，纤维排列均匀等优点，使得制成品力学性能优良。

附图说明

图1是二十面体表示的近似球面；

图2 是经过1次剖分的球面近似网格；

图3 是球面测地线网格；

图4是大开口复合材料球形结构纤维网格；

图5是大开口复合材料球形结构加密的纤维网格；

图6是两端不对称开口复合材料球形结构纤维网格。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

球面测地线网格构造原理

    球面上的测地线是球面上任意两点沿球面的最短路径，对于球形纤维增强复合材料结构，若能保证纤维均沿测地线分布，由此形成的复合材料结构则具有最优的形式，不仅避免了滑线问题，而且可以最大程度的优化复合材料球体的应力分布，从而使结构具有良好的性能。但对于存在不对称大开口的球形复合材料结构，通常的纤维缠绕工艺必须改变缠绕角才能使线型覆盖整个球面，受摩擦力大小的限制，缠绕角不能改变太大，因此开口直径非常有限。本发明提出了一种任意开口球面纤维网格构造方法，所有纤维均沿测地线分布，且由于纤维网格节点的交织，完全避免了纤维滑移，同时开口处也不存在纤维厚度堆积，制成品具有良好的力学性能。

测地线是测地曲率为零的曲线，即曲面上测地线的密切平面包含曲面的法向。在一张曲面S上任意取两点P和Q，在S上由P点到达Q点的路径有无数条，但在局部范围内最短的路径一般只有一条，称为P到Q的测地线。在纤维增强的复合材料结构中，为避免成型或承载过程中的纤维滑移，纤维按测地线分布是为最理想的方法。