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基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能

卫宇璇 张明 刘佳 刘硕 崔志刚

卫宇璇, 张明, 刘佳, 等. 基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-9
引用本文: 卫宇璇, 张明, 刘佳, 等. 基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-9
卫宇璇, 张明, 刘佳, 等. 基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-9
Citation: 卫宇璇, 张明, 刘佳, 等. 基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-9

基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能

详细信息
    通讯作者:

    张明,博士,研究员,博士生导师,航天器复合材料结构设计 E-mail:nanwang20041208@sina.com

  • 中图分类号: TB332

Buckling performance of high-precision variable stiffness composites laminate based on automatic placement technology

  • 摘要: 基于自动铺放技术制备的曲线变刚度复合材料层合板,可以通过定制面内刚度,有效提高结构的抗屈曲性能。在铺放过程中,铺放轨迹的路径规划是实现变刚度设计的关键技术之一。鉴于此,分别以纤维角度线性变化曲线、等曲率曲线及二次Bezier曲线构成的纤维轨迹为研究对象,对其压缩屈曲性能进行参数化分析。并利用有限元模型研究了铺丝头上丝带宽度对层合板型面精度和抗屈曲力学性能的影响。结果表明:在压缩工况下,二次Bezier曲线路径的抗屈曲性能最佳,等曲率曲线路径受曲率约束的影响最小。铺丝头丝束宽度一定,丝带宽度与重叠区域面积和抗屈曲性能N呈负相关。使用最大的丝带宽度可以最大程度地减小重叠区域的面积,提高结构的型面精度,同时保证结构屈曲性能提高37.3%。
  • 图  1  纤维角度线性变化

    Figure  1.  Fiber angle linear variation

    图  2  角度线性变化曲线纤维路径示意图

    Figure  2.  Schematic of fiber angle linear variation curve fiber path

    图  3  二次Bezier曲线纤维路径示意图

    Figure  3.  Schematic of quadratic Bezier curve fiber path

    图  4  丝束宽度为3.175 mm的M40J/4211临界曲率

    Figure  4.  Critical curvature of M40J/4211 with the tow width of 3.175 mm

    图  5  M40J/4211复合材料变刚度层合板有限元模型

    Figure  5.  Variable stiffness laminated plate finite element model of M40J/4211 composite

    图  6  纤维角度线性变化曲线轨迹满足曲率约束的M40J/4211变刚度层合板屈曲特性

    Figure  6.  Buckling performance of M40J/4211 variable stiffness laminated plate with linear trajectory of the fiber angle satisfying curvature constraint

    图  7  等曲率曲线轨迹满足曲率约束的M40J/4211变刚度层合板屈曲特性

    Figure  7.  Buckling performance of M40J/4211 variable stiffness laminated plate with constant-curvature curve trajectorysatisfying curvature constraints

    图  8  二次Bezier曲线轨迹满足曲率约束的M40J/4211变刚度层合板屈曲特性

    Figure  8.  Buckling performance of M40J/4211 variable stiffness laminated plate with quadratic Bezier curve trajectory satisfying curvature constraints

    图  9  Bezier曲线纤维角度变化过程

    Figure  9.  Process of quadratic Bezier curve fiber variable angle

    图  10  Bezier曲线曲率约束非对称性验证

    Figure  10.  Bezier curve curvature constraint asymmetry verification

    图  11  不同丝带宽度的AFP有限元模型

    Figure  11.  AFP finite element model with different tape widths

    图  12  丝带宽度对M40J/4211变刚度层合板屈曲性能的影响

    Figure  12.  Influence of tape width variation on buckling performance of M40J/4211 variable stiffness laminated plate

    图  13  丝带宽度对M40J/4211变刚度层合板平均厚度的影响

    Figure  13.  Influence of tape width variation on average thickness of M40J/4211 variable stiffness laminated plate

    表  1  算法程序有效性验证

    Table  1.   Algorithm validity verification

    Curve placement examplesThis article/NLiterature[6]/NError/%
    ${\left[ { \pm 45/0 \pm {{\left\langle {45|60} \right\rangle }_2}/0 \pm {{\left\langle {30|15} \right\rangle }_2}} \right]_{\rm{s}}}$ 15 689.5 15 641 0.3
    ${\left[ { \pm 45/0 \pm \left\langle {30|45} \right\rangle /0 \pm {{\left\langle {45|60} \right\rangle }_2}/0 \pm \left\langle {30|15} \right\rangle } \right]_{\rm{s}}}$ 16 558 16 514 0.27
    下载: 导出CSV

    表  2  丝带宽度对M40J/4211变刚度层合板型面精度及结构抗屈曲效率的影响

    Table  2.   Effect of the tape width on profile accuracy and structure buckling efficiency of M40J/4211 variable stiffness laminated plate

    Tape width/mmNumber of towsThe average thickness/mmCritical buckling load/NImproved structural efficiency/%
    38.1 12 1.0505 1 594 44.4
    50.8 16 1.0352 1 534 41
    63.5 20 1.0292 1 508 39.5
    76.2 24 1.025 1 487 38
    88.9 28 1.0219 1 468 36.7
    101.6 32 1.0206 1 452 35.4
    114.3 36 1.0197 1 443 34.7
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2019-12-18
  • 录用日期:  2020-01-22

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