[发明专利]一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法

说明书

本发明涉及一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，属于先进制造技术领域。首先建立复合材料大型复杂构件的CAD模型，根据仿真分析将构件分为金属区域、导向阵列区域与织物区域，对三维构件的数据进行分层离散，得到金属和织物区域所需的制造数据，对金属区域进行成形。然后根据复合材料的受力情况对导向棒的结构进行拓扑优化并制造，并将其布置在金属区域上。最后采用柔性导向三维织造技术将纤维布置于导向阵列及导向棒的网格孔隙中，形成金属与织物混合分布预制体，浸渍固化后形成复合材料大型构件。本专利提出了一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，解决了复合材料大型构件开裂失效和抗冲击性差等问题。

技术领域

本发明涉及一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

随着现代科技的快速发展，对交通工具的速度、负荷及安全性的要求越来越高，为确保交通工具的性能不因大型化而下降，并符合低碳、节能和环保的要求，迫切需要使其构件轻量化。采用先进材料制造大型复杂构件是实现交通工具减重的有效途径之一。

复合材料是由一种或多种增强体和基体组成，复合材料的性质随着增强体、基体的种类及其组成方式等而改变。因此，复合材料除了具有比强度、比刚度高等特性外，可设计性强也是复合材料的主要优势。

近年来，研究人员利用复合材料铺层技术将纤维预浸料按设计的角度、位置、层数精确铺放，形成复合材料大型复杂构件。但铺层结构复合材料构件由于层间方向没有纤维连接，易产生分层破坏导致构件整体失效，且抗冲击性能差。因此，本专利提出一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，在层间引入增强相，解决了复合材料大型构件开裂失效和抗冲击性差等问题。

发明内容

为了解决上述存在的问题。本发明提出了一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，在无模条件下，实现复合材料构件的数字化快速制造，并在层间引入增强相，解决了现有复合材料构件层间性能较差及抗冲击力不强等问题。该方法具有成形周期短、成本低及适应性强等优点。

本发明的技术方案如下：

复合材料大型复杂构件包括金属区域、导向阵列区域和织物区域。金属区域为复杂构件成形的骨架及导向阵列布置的基板。导向阵列区域是金属区域与织物区域的过渡区域，能够将织物区域的受力转移到金属区域上，降低织物区域的损伤破坏。织物区域为三维结构织物。

1.一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法具体步骤如下：

(1)建立模型：建立复合材料复杂构件的CAD模型，根据仿真分析将构件分为金属区域、导向阵列区域与织物区域；

(2)对三维构件数据进行分层离散：对三维构件的数据进行离散处理、路径规划、工艺参数设定等，得到金属区域和织物区域所需的制造数据；

(3)金属区域制造：根据CAD模型及制造参数对金属区域进行成形；

(4)布置导向阵列：根据复合材料的受力情况对导向棒的结构进行拓扑优化，并根据拓扑优化的结果进行成形，并将导向棒直接成形在金属区域上；

(5)织物区域制造：采用柔性导向三维织造技术将纤维布置于导向阵列及导向棒的网格孔隙中，实现导向棒与纤维的连接，同时，导向棒与金属区域贯穿连接，实现金属区域、导向阵列区域和织物区域的连接，形成金属与织物混合分布预制体，并浸渍固化。

2.所述的金属区域的制造方法可为粉末冶金制造、3D打印制造和减材制造等；进一步的，金属的3D打印制造方法可为选择性激光烧结技术、选择性激光熔化技术、选择性激光熔覆技术、层叠法成型技术和电子束熔覆技术等的一种或多种；3.所述的柔性导向三维织造技术可为铺放、缠绕或两者的复合成形方法；

4.所述的导向阵列可为金属材料，也可为纤维增强复合材料；