变角度铺丝成型构件的力学性能分析

发布时间：2020-11-09 18:58

　　 随着航空航天领域的快速发展,先进复合材料的应用与日俱增,如何提高复合材料的结构性能已成为当今工业领域研究的重点。自动铺放技术不断进步,使得纤维的曲线铺放成为可能,与传统的直线铺放铺层相比,变角度曲线铺放能更好的利用复合材料的方向性特点,优化复合材料的结构性能。本文以变角度铺层构件为研究对象,规划出纤维铺放路径,探究不同纤维铺放路径对曲面构件力学性能的影响,具体工作内容如下:(1)基于Hermite曲线,规划纤维曲线铺放的参考路径。以6阶Bezier曲线为导线,以单向轴为直母线,得到了曲面构件,将得到的曲面投影至平面上,在投影平面上进行参考路径的设计。结合经典构建完整铺层等距的方法,对比分析了平移法和平行法,讨论了铺层出现间隙和重叠的原因,综合分析结果,本文选用了平移法来构建变角度铺层。并针对影响参考曲线路径的参数,确定了本文曲面构件变角度铺层的表示方式。(2)将曲面和投影平面离散成网格,在投影平面上将曲线铺放路径进行离散,在每个网格内部“以直代曲”,得到每个网格纤维铺丝的铺放角,给每一个网格分别赋予材料属性。基于变角度铺层离散化建模思路,结合ABAQUS二次开发交互式界面GUI插件的开发,确定了GUI程序开发的流程,编写了相应的Python代码,开发了用于变角度铺层构件静力学分析的插件Surface_Statics和用于变角度铺层构件线性屈曲分析的插件Surface_Buckle。插件的开发提高了本文仿真实验的效率。(3)针对本文构建的变角度铺层,利用本文开发的GUI插件,对单边受压缩载荷作用下的变角度铺层构件进行静力学分析,得到应力应变分布云图,提取了最大最小应力应变,分别从整体分布和沿导线和直母线方向对分析结果进行讨论,探究不同纤维曲线路径参数对应力应变的影响,并在每组实验中,对比了最大最小应力应变,给出了提高相应力学性能的百分比。通过控制纤维曲线路径的参数,可以得到力学性能较好的复合材料曲面铺层构件。(4)对单边受压缩载荷作用下的变角度铺层构件进行线性屈曲分析,得到了线性屈曲分析的结果,提取了一阶线性屈曲的模态和特征值,计算出一阶屈曲载荷。对一阶线性屈曲模态进行分析,发现随着纤维曲线路径的改变,屈曲模态发生了较大变化;对一阶屈曲载荷进行分析,发现一阶屈曲载荷随着纤维路径的变化而不断变化。探究了不同纤维曲线路径参数对一阶屈曲的影响,并在每组实验中,对一阶屈曲载荷进行对比和计算,得到了屈曲载荷的改善程度。通过调整纤维曲线路径的参数,可以得到稳定性较好的复合材料曲面铺层构件。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V25;TB33
【部分图文】：

第一章 绪论 课题背景及研究目的和意义本课题来源于国家自然基金（NO.51575266）“基于网格流形的自适应路径规划关键基础理究”。先进复合材料因具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳等优点，被广泛用于、航天等先进高科技领域[1][2]。空客对飞机结构的重量和性能的关系做了统计分析，分析飞机结构的重量每降低1%，其耗油可减少3%到4%，而在空间飞行器中，涉及的经济效益明显，其中每减轻1kg的质量，则相应的会增加3万元的经济效益。因此，在航空领域中，人员在设计构件的同时，尽量做到使其重量最低。可以说，一个国家的科技发展水平可以地体现在先进复合材料在航空航天领域的应用。随着先进复合材料的不断发展，飞机结构也在不断发生变化，由金属材料逐渐向复合材料过渡，有专家指出，在未来的飞机制造中，少有一半的复合材料用量。例如，大众较为熟知的A350和B787机型，两种机型的复合材料比率均已超过了总重量的50%，如图1.1所示为两种机型的材料占比组成。

南京航空航天大学硕士学位论文此不会受到自动铺带中自然路径(Natural path)轨迹限制，故自更大，可以实现本文纤维铺放角连续变化的变角度铺层，还可。动纤维铺放技术得到了快速发展，被越来越多的用在航空航天公司或科研机构均对此进行了研究[9]。例如：美国的 Alliant Teincinnati Milacron 公司、Bell Helicopter 公司、RaytheonAircrafNLR）以及法国的 Aerospatiale Matra 公司。除此之外，美国 Aut微型、独立可支持各种热源和铺放材料的自动纤维铺放设备 R011 年 11 月，美国极光飞行科学公司也加大对航空航天领域和。如图 1.2，1.3 所示为自动铺丝机构示意图。由于复合材料自心技术被西方国家垄断，从设备、软件和技术方面对我国进行对自动纤维铺放技术方面的研究比较落后，因此对自动纤维铺意义。

图 1. 3 自动铺丝机构图，通常是利用传统的纤维铺放设备来制造复合材料层合板材料铺层单层，然后以一定的方式叠加单层板，最后形成境，在目前的直线纤维铺放中，一般将纤维铺放角设定纤维铺放设计流程简单且能满足一般的工程要求，但却活性，不能很好的利用复合材料方向性的特点。复合材料体组合而成的，复合材料铺层的结构性能与纤维的铺设方式，可以得到符合我们要求的结构性能优良的复合材料铺出的复合材料层合板综合性能良好且符合实际工程环境，了能提高复合材料的结构性能，从事于复合材料研究方面维铺放方式，以充分发挥复合材料方向性的优势。许多研成的复合材料层合板中。随着自动铺丝技术的发展，纤维铺放中，纤维的铺放角度可以实现连续变化[11][12]。变角相比，增加了复合材料的可设计性，充分的利用了复合材料的结构性能。在纤维曲线铺放形成的复合材料层合板中
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本文编号：2876839