[發(fā)明專利]各向異性復(fù)材制件熱壓罐成形復(fù)材工裝模板設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010105623.7
• 申請(qǐng)日: 2010-02-04
• 公開（公告）號(hào): CN101794332A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李迎光;萬世明;王紅星;李德尚;于剛;張吉;傅浩杰;傅承陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 唐小紅

1.一種各向異性復(fù)合材料制件熱壓罐成形復(fù)合材料工裝設(shè)計(jì)方法，適用于 熱壓罐成形復(fù)合材料制件的固化工藝曲線和鋪層信息已知的前提條件下進(jìn)行，具 體方法如下：

第一步：由已知的制件鋪層信息及工程常量，通過計(jì)算獲得制件各個(gè)方向上 的熱膨脹系數(shù)；

第二步：采用低溫成形高溫使用的復(fù)合材料制造工裝模板，根據(jù)制件的熱膨 脹系數(shù)，設(shè)計(jì)工裝模板的鋪層方式，使制件和工裝的各向熱膨脹系數(shù)相匹配，絕 對(duì)誤差小于10％，通過計(jì)算，若兩者的熱膨脹系數(shù)超出誤差范圍，則重新進(jìn)行鋪 層設(shè)計(jì)，從而使兩者的變形一致；

上述第一步、第二步涉及公式如下：

對(duì)于制件為單向纖維增強(qiáng)的層合板：

已知：平面內(nèi)力狀態(tài)下，單層板有五個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)：E_L、E_T、v_LT、v_TL、 G_LT，E_L、E_T分別為單層板面內(nèi)橫向和縱向彈性模量；v_LT、v_TL分別為單層板 面內(nèi)橫向和縱向泊松比；G_LT為面內(nèi)剪切模量；則單層板主軸方向的二維剛度矩 陣為：

[Q]=Q11Q120Q21Q22000Q66---(1)]]>

令：m＝(1-v_LTv_TL)^-1，其中：

Q₁₁＝mE_L

Q₂₂＝mE_T

Q₆₆＝GL_T

Q₁₂＝mv_LTE_L

Q₂₁＝mv_TLE_T???????????????(2)

單層板偏軸方向剛度矩陣與主軸方向剛度矩陣[Q]關(guān)系為：

Q‾11Q‾22Q‾12Q‾66Q‾16Q‾26=m4n42m2n24m2n2n4m42m2n24m2n2m2n2m2n2m4+n4-4m2n2m2n2m2n2-2m2n2(m2-n2)m3n-mn3mn3-m3n2(mn3-m3n)mn3-m3nm3n-mn32(m3n-mn3)Q11Q22Q12Q66---(3)]]>

式(3)中，m＝cosθ，n＝sinθ，θ為鋪層角；

對(duì)于由多層單層板鋪設(shè)而成的疊層材料，其拉壓剛度矩陣[A]中各項(xiàng)為：

Aij=Σk=1N(Q‾ij)k(zk-zk-1)=Σk=1N(Q‾ij)ktk---(4)]]>

其中：t_k＝z_k-z_k-1，為第k層的厚度；z_k是第k層的坐標(biāo)，N表示共有N層鋪 層，A_ij為矩陣[A]中第i行第j列的項(xiàng)；

由式(3)，(4)得單向纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)

{α‾c}=[A]-1[Σk=1n[Q‾]k{α‾}k(zk-zk-1)]---(5)]]>

式中：

[A]-為疊層材料的拉壓剛度矩陣，[A]^-1為其逆矩陣；

-為第k層單層偏軸方向剛度矩陣；

-為疊層材料中第k層偏軸方向的熱膨脹系數(shù)；

對(duì)于制件為編織物增強(qiáng)的層合板：

已知：E₁、E₂分別為單層編織物的橫向、縱向的彈性模量；v₁₂，v₂₃分別為 1-2、2-3平面內(nèi)的泊松比；G₁₂為1-2平面內(nèi)剪切模量；

單層編織物增強(qiáng)復(fù)合材料的柔度矩陣[S]：

由柔度矩陣[S]求逆可得剛度矩陣[Q]：

[Q]=S22S33-S232SS13S23-S12-S33SS12S23-S13S22S000S13S23-S12S33SS33S11-S132SS12S13-S23S11S000S12S23-S13S22SS12S13-S23S11SS11S22-S122S0000001S440000001S440000001S66---(7)]]>

其中：

S=S11S22S33-S11S232-S22S132-S33S122+2S12S23S13]]>

轉(zhuǎn)置矩陣：

[T]=cos2θsin2θ02sinθcosθ00sin2θcos2θ0-2sinθcosθ00001000-sinθcosθsinθcosθ0cos2θ-sin2θ000000cosθsinθ0000-sinθθcosθ---(8)]]>

公式(8)中θ為偏軸方向與主軸方向的夾角，即偏軸角；

則單層編織物的偏軸方向剛度矩陣為：

[Q‾]=[T][Q][T]T---(9)]]>

對(duì)于由多層單層編織物鋪設(shè)而成的疊層材料，其拉壓剛度矩陣[A]中各項(xiàng)為：

Aij=Σk=1n(Qij‾)k(zk-zk-1)---(10)]]>

其中：t_k＝z_k-z_k-1，為第k層的厚度；z_k是第k層的坐標(biāo)，n表示共有n層鋪 層，A_ij為矩陣[A]中第i行第j列的項(xiàng)；

由式(9)，(10)得編織物增強(qiáng)的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)向量

{αc‾}=[A]-1[Σk=1n[T]k-1(zk-zk-1)]([Q]{α})---(11)]]>

如果各層厚度相同，則為：

{αc‾}=(Σk=1n[Q])-1(Σk=1n[T]k-1)([Q]{α})---(12)]]>

式(11)(12)中，{α}-為材料主軸方向的熱膨脹系數(shù)向量。