[发明专利]各向异性复材制件热压罐成形复材工装模板设计方法

摘要

本发明涉及一种各向异性复合材料制件热压罐成形复合材料工装模板设计方法，属于各向异性复合材料制件热压罐成形工装设计技术领域。该方法采用低温成形高温使用的复合材料制造工装模板，由已知的制件铺层信息及工程常量，计算获得制件各个方向上的热膨胀系数；再根据制件的热膨胀系数，设计复合材料工装模板的铺层方式，使制件和工装的各向热膨胀系数相匹配，绝对误差小于10％，通过计算，若两者的热膨胀系数超出误差范围，则重新进行铺层设计，从而使两者的变形一致。本发明提供的设计方法，解决了热压罐成形过程中各向异性复合材料制件与工装模板各向热膨胀系数难以匹配的问题，提高了制件精度，保证了产品质量。

主权项

1.一种各向异性复合材料制件热压罐成形复合材料工装设计方法，适用于热压罐成形复合材料制件的固化工艺曲线和铺层信息已知的前提条件下进行，具体方法如下：第一步：由已知的制件铺层信息及工程常量，通过计算获得制件各个方向上的热膨胀系数；第二步：采用低温成形高温使用的复合材料制造工装模板，根据制件的热膨胀系数，设计工装模板的铺层方式，使制件和工装的各向热膨胀系数相匹配，绝对误差小于10％，通过计算，若两者的热膨胀系数超出误差范围，则重新进行铺层设计，从而使两者的变形一致；上述第一步、第二步涉及公式如下：对于制件为单向纤维增强的层合板：已知：E_L，E_T为单向板的横向、纵向的弹性模量；v_LT，v_TL为面内的泊松比；G_LT为面内剪切模量；令：m＝(1-v_LTv_TL)^-1，得单向板的刚度矩阵：[Q]=Q11Q120Q21Q22000Q66---(1)]]>其中：Q₁₁＝mE_L                     (3)Q₂₂＝mE_TQ₆₆＝G_LTQ₁₂＝mv_LTE_LQ₂₁＝mv_TLE_TQ‾11Q‾22Q‾12Q‾66Q‾16Q‾26=m4n42m2n24m2n2n4m42m2n24m2n2m2n2m2n2m4+n4-4m2n2m2n2m2n2-2m2n2(m2-n2)m3n-mn3mn3-m3n2(mn3-m3n)mn3-m3nm3n-mn32(m3n-mn3)Q11Q22Q12Q16---(4)]]>式中，m＝cosθ，n＝sinθ，θ为铺层角；Aij=Σk=1N(Q‾ij)k(zk-zk-1)=Σk=1N(Q‾ij)ktk---(5)]]>其中：t_k＝z_k-z_k-1，为第k层的厚度；z_k是第k层的坐标。由式(4)，(5)得单向纤维增强的复合材料热膨胀系数：{α‾c}=[A]-1[Σk=1n[Q‾]k{α‾}k(zk-zk-1)]---(6)]]>式中：[A]-为叠层材料的拉压刚度矩阵；-为单层偏轴刚度矩阵；α_k-为叠层材料中第k层的热膨胀系数；对于制件为编织物增强的层合板：已知：E₁、E₂分别为单层编织物的横向、纵向的弹性模量；v₁₂，v₂₃分别为1-2、2-3平面内的泊松比；G₁₂为1-2平面内剪切模量；编织物增强复合材料的柔度矩阵：由[S]可得[Q]：[Q]=S22S33-S232SS13S23-S12S33SS12S23-S13S22S000S13S23-S12S33SS33S11-S132SS12S13-S23S11S000S12S23-S13S22SS12S13-S23S11SS11S22-S122S0000001S440000001S440000001S66---(8)]]>其中：S＝S₁₁S₂₂S₃₃-S₁₁S₂₃²-S₂₂S₁₃²-S₃₃S₁₂²+2S₁₂S₂₃S₁₃转置矩阵：[T]=cos2θsin2θ02sinθcosθ00sin2θcos2θ0-2sinθcosθ00001000-sinθcosθsinθcosθ0cos2θ-sin2θ000000cosθsinθ0000-sinθcosθ---(9)]]>Q‾]=[T][Q][T]T---(10)]]>Aij=Σk=1n(Qij‾)k(zk-zk-1)---(11)]]>{αc‾}=[A]-1[Σk=1n[T]k-1(zk-zk-1)]([Q]{α})---(12)]]>如果各层厚度相同，则为：{αc‾}=(Σk=1n[Q])-1(Σk=1n[T]k-1)([Q]{α})---(13).]]>