纤维复合材料部件的设计和有效制造方法技术

一种设计纤维复合材料部件的方法，其可以在部件性能和制造效率之间进行权衡，从而为所需使用案例提供“优化”的设计。在一些实施例中，该方法包括生成理想纤维图，其中，整个预期部件中的纤维的朝向与整个部件中的预期载荷条件一致，然后通过各种制造约束来修改理想纤维图，以生成工艺补偿的预制件图。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纤维复合材料部件的设计和有效制造方法相关申请本专利技术要求2018年10月26日申请的，申请号为62/751,040的美国专利申请的优先权，在此通过引用结合于此。
本专利技术涉及纤维复合材料和由其制成的部件，并且，更具体地，涉及设计和有效制造此种部件的方法。
技术介绍
在设计由正交各向异性材料，例如纤维增强聚合物(FRP)制成的部件时，需要优化部件中的纤维路径。也就是说，对于给定的部件几何形状，当部件中的纤维在预期的荷载条件下与整个部件各处的主应力方向一致时，FRP部件将表现出最佳的机械性能。这是因为FRP材料在纤维方向上的性能是最理想的。在制造过程中，利用现有方法优化纤维的布置通常是不可能且不实际的。具体地，通常用于制造此类部件的带条或织物内的纤维被固定在一个(带条)或两个(织物)方向上，所以任何的这种定向“优化”仅限于将带条/织物的连续层偏移标准偏移量，例如+/-30°或45°的增量等。但是，即便可以如上所述真正地优化纤维布局，纤维的放置和对齐也会花费大量时间。对于FRP部件的大规模生产，制造效率是一个重要的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设计纤维复合材料部件的方法，其特征在于，所述方法包括：/n定义所述部件的几何形状以及施加到所述部件上的力；/n基于所述几何形状和所述力，确定所述部件的应力等值线；/n根据所述应力等值线生成理想纤维图，其中，所述理想纤维图中纤维的方向与所述部件的所述应力等值线对齐；/n定义适用于制造所述部件的多个约束；以及/n通过所述约束修改所述理想纤维图，生成第一工艺补偿的预制件图，其中，所述第一工艺补偿的预制件图用于提供制造所述部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181026 US 62/751,0401.一种设计纤维复合材料部件的方法，其特征在于，所述方法包括：
定义所述部件的几何形状以及施加到所述部件上的力；
基于所述几何形状和所述力，确定所述部件的应力等值线；
根据所述应力等值线生成理想纤维图，其中，所述理想纤维图中纤维的方向与所述部件的所述应力等值线对齐；
定义适用于制造所述部件的多个约束；以及
通过所述约束修改所述理想纤维图，生成第一工艺补偿的预制件图，其中，所述第一工艺补偿的预制件图用于提供制造所述部件所需的预制件的尺寸、形状、朝向和数量。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将具有所述第一工艺补偿的预制件图中的预制件的尺寸和形状的预制件放置在模具中，其中，根据所述第一工艺补偿的预制件图中指定的朝向将所述预制件放置在所述模具中。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据压缩成型制程，通过向所述模具中的所述预制件施加热和压力来成型所述部件。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
测试所述部件，以确定所述部件的至少一个性能指标。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定义所述约束还包括：
对多个所述约束中的至少部分约束赋予权重，其中，所述权重影响所述第一工艺补偿的预制件图中的所述预制件的尺寸、形状和朝向中的至少一种。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在生成所述第一工艺补偿的预制件图之后，所述方法还包括：
改变多个所述约束中的至少一个约束的权重；以及
生成第二工艺补偿的预制件图，其中，由于所述权重的改变，所述第二工艺补偿的预制件图中的所述预制件与所述第一工艺补偿的预制件图中的所述预制件在尺寸、形状、朝向和数量中的至少一种上不同。


7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在一定范围内改变多个所述约束中的至少一个约束，其中，对于所述约束中的每个变化，基于生成的工艺补偿的预制件图来制造部件，并且测试所述部件以获得性能指标，其中所述约束充分变化足以使得所述范围包括：
(i)所述约束的第一值，在所述第一值处所述部件的所述性能指标具有最大值；以及
(ii)所述约束的第二值，在所述第二值处所述部件的所述性能指标降至可接受值以下。


8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
选择与所述约束的值对应的工艺补偿的预制件图作为所述复合材料部件的设计，其中，所述约束的值落入介于所述第一值和所述第二值之间、且包括所述第一值和所述第二值的范围内。


9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
选择与所述约束的第一值对应的工艺补偿的预制件图作为所述复合材料部件的设计，从而提供具有最佳部件性能的设计。


10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
选择与所述约束的第二值对应的工艺补偿的预制件图作为所述复合材料部件的设计，从而提供用于优化制造效率的设计。

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【专利技术属性】
技术研发人员：E·艾斯科维茨，J·S·珀金斯，R·里斯，E·戴维森，S·轩尼诗，
申请(专利权)人：阿里斯复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US