基于自动铺放技术的变刚度复合材料层合板固化变形特性

准确预测和控制变刚度结构的固化变形是合理进行变刚度设计的关键环节,复合材料结构的固化变形不仅会影响结构的刚度强度特性、同时会对结构的装配性能产生影响。基于自动铺放技术,提出面向过程的丝束-路径-面板多级三维变刚度有限元模型算法。结合Kamal自催化固化动力学模型和广义Maxwell黏弹性本构模型进行热-化学-力多场耦合分析,计算固化过程中结构内部温度场、固化度场和残余应力场的变化,最终得到变刚度层合板的固化变形特性。通过参数化分析,研究了自动铺放过程中轨迹控制参数T₀、T₁和覆盖法则对结构固化变形产生的影响。研究结果表明：T₀=45°时,当T₁0变刚度结构的固化变形随着T₁的增大而增大,当T₁>T₀,变刚度结构的固化变形随着T₁的增大而减小。100%覆盖法则有效减小结构的固化变形,而0%覆盖法则使固化变形增大。本文提出的方法可以有效预测工艺参数对变刚度结构固化变形的影响。     

考虑制造因素的变刚度层合板的抗屈曲铺层优化设计

与常规层合板相比,变刚度层合板的制造、有限元建模分析和铺层设计有其特殊之处。首先对设计时需考虑的制造因素进行了归纳,提出了变刚度层合板的铺层设计要求。然后给出了变刚度层合板的理想模型和考虑丝束宽度模型的建模方法。基于理想模型对ABAQUS的前处理模块进行二次开发,利用编制的参数化建模程序分析了不同铺放角的变刚度层合板的屈曲性能,并讨论了最小曲率半径对铺层的限制和变刚度设计提高屈曲载荷的机制。基于变刚度层合板的抗屈曲机制建立了一种铺层优化设计方法,使用遗传算法经两步优化得到最优铺层。对最优铺层建立考虑丝束宽度的模型以研究丝束宽度和铺层偏移对变刚度层合板抗屈曲铺层优化结果的影响。研究表明,在变刚度层合板的抗屈曲铺层优化中使用简化的理想模型通常来说是可行的。在考虑制造因素的情况下,优化后的变刚度层合板较常规层合板屈曲载荷有显著提高。     

树脂基复合材料自动铺放技术进展

扼要介绍了树脂基复合材料自动铺放成型技术的原理、特点和国外技术及应用概况,详细介绍了国内复合材料自动铺放成形技术的研究进展,提出了国内自动铺放技术研究的关键问题及研究建议.     

复合载荷作用变刚度复合材料回转壳屈曲优化

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度（直线纤维）回转壳更好的抗屈曲稳定性,为此,研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进曲线纤维角度线性描述方法,建立了变刚度复合材料回转壳的参数化有限元模型;其次,结合序列二次响应面方法和回转壳屈曲优化模型,搭建了复合材料回转壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;最后,以准各向同性铺层复合材料回转壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳和轴压、弯矩和扭矩分别作用变刚度椭圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,且均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势;不同载荷作用下,具有较小截面方向比的变刚度椭圆柱壳屈曲性能要明显好于对应的准各向同性椭圆柱壳,且横截面越接近圆形,曲线纤维对椭圆柱壳屈曲性能的改善越弱。      

变刚度复合材料平板与开孔板屈曲性能试验验证与数值仿真

为验证基于丝束曲线铺放的变刚度设计在改善典型航空结构屈曲性能中的应用潜力,设计并制造了变刚度复合材料平板和开孔板试件。通过应变片和非接触式三维光学测量系统,全面地测量了试件受单轴压缩载荷过程中的面外位移和载荷方向应变。试验结果表明：变刚度平板和开孔板较同构型直线铺层试件屈曲载荷分别提升53.4%和46.6%;试件力学响应相似,均为线性加载至屈曲载荷后刚度大幅折减,变刚度试件后屈曲阶段呈近似线性,而直线铺层试件则连续变化。根据试验方案细化了数值模型,屈曲载荷、面外位移及应变的计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,提取了数值模型中的刚度分布和加载截面载荷分布,阐明了变刚度设计的抗屈曲机制。对于本文试件,采用变刚度设计还可显著提高破坏载荷,并降低侧边载荷,缓解应力集中。     

热塑性复合材料自动纤维铺放装备技术

基于热塑性复合材料(TPC)自动纤维铺放(AFP)原位固结技术,开展热塑性复合材料AFP装备技术研究,分析AFP平台的功能需求,提出平台总体规划方案,设计开发热塑性复合材料自动铺丝头,并提出预浸纱张力控制方案、精确送纱及温度闭环控制方案。在此基础上,设计AFP系统可行性验证实验,证明方案的可行性和平台的实用价值。结果表明:本实验平台针对热塑性复合材料铺放特点,优化张力与铺放速度匹配,实现预浸纱动态恒张力铺放,确保成型构件质量;实验平台调控铺放速度与送纱协调,实现精确定位,保障成型构件尺寸;建立了铺放速度与加热功率、热流分布关系,实现高精度温度场分布控制。虽AFP成型构件的力学性能比热模压成型构件的力学性能低约20%,但为热塑性复合材料AFP装备技术的广泛应用奠定了基础。     

面向变刚度复合材料筒壳高效屈曲分析的变保真度迁移学习模型

相较于传统直线铺层设计的复合材料筒壳结构,变刚度复合材料筒壳结构通过曲线纤维路径铺层,可以极大地增加复合材料的设计空间,进而获得更优的抗屈曲能力。为了准确描述曲线纤维路径,需要针对变刚度复合材料筒壳建立精细有限元模型,因此对屈曲分析和优化效率带来了较大的挑战。本论文以变刚度复合材料筒壳结构的线性屈曲及后屈曲承载力快速预测为目标,提出了一种变保真度迁移学习模型的构建方法。首先,针对变刚度复合材料筒壳结构建立合适的高保真度、低保真度模型;然后,基于大量低保真度样本数据作为源域样本集建立并训练深度神经网络,得到预训练模型;最后,以少量高保真度样本数据作为目标域样本集对最后一层神经网络参数进行微调,训练得到变保真度迁移学习模型。变刚度复合材料筒壳线性屈曲和后屈曲算例结果表明,在达到相同的预测精度水平时,变保真度迁移学习模型比直接采用高保真度样本数据构建的代理模型分别节约了47.7%和62.3%的计算成本,验证了提出方法的高效率优势。同时,与基于桥函数构建的变保真度代理模型和Co-Kriging进行比较,所提出方法在不同高保真度、低保真度样本数据组合下均具有更优精度,验证了提出方法的高精度优势。     

Bezier曲线变角度层合板设计及屈曲特性分析

基于二次Bezier曲线法,开展纤维变角度层合板的屈曲特性研究。首先,对原始的二次Bezier曲线进行了扩展,提出了分段式二次Bezier曲线变化方法,重新定义了纤维变角度铺放参考路径,确定了变角度层合板的表示形式。其次,以[0±20(β)65]_(2s)和[90±20(β)65]_(2s)为例对变角度层合板的屈曲特性进行了有限元分析,并与定角度层合板对比。最后,研究了不同终止角α和连接点参数β对层合板屈曲性能的影响,结果表明:连接点参数β的增大使得两种变刚度层合板的线性屈曲载荷先增大后减小,终止角大于起始角时,层合板的一阶屈曲载荷逐渐增大,铺放角度的增大有利于层合板屈曲载荷的提高。     

基于密度分布曲线法的复合材料变刚度铺层优化

基于梯度的优化方法对复合材料层合板进行了变刚度铺层优化设计。在优化过程中需确定铺层中各单元的密度以及角度。为了使优化结果具有可制造性,优化结果需满足制造工艺约束并且铺层角度需从预定角度中选取。为了避免在优化问题中引入过多的约束并减少设计变量的数目,提出密度分布曲线法(DDCM)对层合板中各单元的密度进行参数化。根据各单元的密度以及角度设计变量并基于Bi-value Coding Parameterization(BCP)方法中的插值公式确定各单元的弹性矩阵。优化过程中以结构柔顺度作为优化目标,结构体积作为约束,优化算法采用凸规划对偶算法。对碳纤维复合材料的算例结果表明:采用DDCM可得到较理想的优化结果,并且收敛速率较快。     

丝束变角度层合板屈曲性能的参数化研究

通过选择合适的纤维轨迹,丝束变角度(VAT)层合板相对于直纤维层合板能拥有更好的抗屈曲特性。为研究纤维轨迹特征长度和定向坐标系偏角对VAT层合板屈曲性能的影响,首先对原始的纤维角度线性变化方法进行改进,提出了一种纤维角度分段线性变化方法,拓展了纤维轨迹的设计空间;其次,采用改进后的纤维轨迹定义方法构建了一系列变刚度层合板;最后,基于有限元方法,从内力分布角度对变刚度层合板不同承载情况下的屈曲性能进行研究和探讨。数值结果表明:单向轴压工况下,采用半边长的特征长度和90°偏角的纤维轨迹,能使层合板的稳定性最好;双向轴压工况下,应将特征长度和定向坐标系偏角作为额外的设计变量,并通过优化获得最优的纤维轨迹。     

考虑纤维面外起伏的变刚度层合板优化策略研究

针对变刚度层合板在自动铺放制造过程中因间隙/重叠缺陷产生大量纤维面外起伏缺陷的问题,提出采用铺层偏移法与断送纱策略两种铺层优化策略来进行变刚度层合板的铺层设计,在研究过程中同时引入考虑间隙/重叠缺陷建模的方法。根据变刚度层合板铺层的特点提出缺陷重复单元的概念,通过对缺陷重复单元的分析来反映纤维面外起伏的影响,并提出通过纤维面外系数来表征变刚度层合板的纤维面外起伏尺度,最后对不同优化策略的变刚度层合板的屈曲性能进行分析。研究表明:基准设计方案、铺层偏移法与断送纱策略所对应的纤维面外起伏系数为0.83、0.95、0.93,所提出的优化策略对变刚度层合板的纤维面外起伏尺度有着明显的抑制作用。铺层偏移法优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为33%,所对应的屈曲载荷为9117.1 N,屈曲载荷提升17.6%;断送纱策略优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为50%,所对应的屈曲载荷为9716.3N,屈曲载荷提升25.3%。      

Generating realistic laminate fiber angle distributions for optimal variable stiffness laminates

The advent of advanced fiber placement technology has made it possible, through the use of fiber steering, to exploit the anisotropic properties of composite materials to a larger extent than was previously possible. Spatial variation of stiffness can be induced by steering composite fibers in curvilinear paths to give beneficial load and stiffness distribution patterns. Buckling of composite panels is one area where fiber steering has been proven to be very effective. Fiber angles and predefined fiber angle variations are used in most of the research on fiber steered composites reported in the literature, however, from an optimization point of view it is attractive to design such variable stiffness (VS) structures in terms of lamination parameters (LPs). This results in a two-step design approach. In the first step a VS composite is designed in terms of LPs, and in the second step the LPs are converted into fiber angle distributions for each layer in the laminate. A methodology is proposed to convert a known LP distribution for a VS composite laminate into a realistic design in terms of fiber angles, with minimum loss of structural performance, whilst satisfying a constraint on in-plane fiber angle curvature. The proposed conversion process is formulated as an optimization problem and can be used for any number of equi-thickness plies. The methodology was tested by converting a known optimal LP design for a sample structure, a square plate under bi-axial compression into a fiber angle design. The effect of the in-plane curvature constraint, the number of layers in the laminate, and the choice of objective function for the conversion process were studied for a balanced symmetric lay-up.     

复合材料纤维铺放自动编程技术研究

纤维铺放是近年来发展最快、最有效的复合材料构件成形技术之一。结合所研制的纤维铺放设备,研究复合材料纤维铺放自动编程技术。在已知芯模曲面和纤维铺放路径的基础上,运用机器人学原理建立了纤维铺放机构各杆件坐标系,设计了空间机构运动学逆问题的简化求解算法,针对纤维铺放路径上的每个控制点,得到纤维铺放机构各运动关节位置和姿态。根据传动机构的组成,计算出各驱动步进电机的转角,从而生成纤维铺放机运动控制指令代码。基于CATIA开发平台CAA,开发了复合材料纤维铺放仿真软件模块。     

Fatigue life evaluation for carbon/epoxy laminate composites under constant and variable block loading

This paper presents the results of current research on the fatigue life prediction of carbon/epoxy laminate composites involving twelve balanced woven bidirectional layers of carbon fibres and epoxy resin manufactured by a vacuum moulding method. The plates were produced with 3 mm thickness and 0.66 fibre weight fraction. The dog bone shape specimens were cut from these plates with the load line aligned with one of the fibre directions. The fatigue tests were performed using load control with a frequency of 10 Hz and at room temperature. The fatigue behaviour was studied for different stress ratios and for variable amplitude block loadings. The damage process was monitored in terms of the stiffness loss. The fatigue life of specimens submitted to block loading tests was modelled using Palmgren–Miner’s law and taking in to account the stress ratio effect. The estimated and experimental fatigue lives were compared and good agreement was observed.     

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。     

Off-axis transformation of the composite laminate stiffness properties

Most composite structures are orthotropic with respect to the major structural loading direction, i.e. the 0 ° fibres are along the principal bending axes of an aircraft wing (the spar line). The laminate stiffness properties are given with the laminate orthotropic axes aligned with the structural axes. If the orthotropic axes are not aligned to the structural axes, then the laminate stiffness properties are generated from classical laminated plate theory with individual ply angles rotated through the appropriae angle of transformation. In this discussion, the transformation of a laminate's stiffness from the on-axis position to an off-axis position is accomplished in one step. Two typical examples are shown to illustrate where and why such a transformation is used.     

Adjoint-based optimal variable stiffness mesh deformation strategy based on bi-elliptic equations

There are many recent advances in mesh deformation methods for computational fluid dynamics simulation in deforming geometries. We present a method of constructing dynamic mesh around deforming objects by solving the bi-elliptic equation, an extension of the biharmonic equation. We show that introducing a stiffness coefficient field a(x) in the bi-elliptic equation can enable mesh deformation for very large boundary movements. An indicator of the mesh quality is constructed as an objective function of a numerical optimization procedure to find the best stiffness coefficient field a(x). The optimization is efficiently solved using steepest descent along adjoint-based, integrated Sobolev gradients. A multiscenario optimization procedure is performed to calculate the optimal stiffness coefficient field a^蜧(x) for a priori unpredictable boundary movements. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.