本发明专利技术公开了一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，属于复合材料铺层设计方法领域。该方法是基于腔棘鱼鳞片的双螺旋结构与功能启示，通过线性递增纤维片层铺设的角度θ<subgt;i</subgt;，分别形成一个正向螺旋单元[0/θ<subgt;i</subgt;/2θ<subgt;i</subgt;/.../180‑θ<subgt;i</subgt;/180]以及反向螺旋单元[180/180‑θ<subgt;i</subgt;/.../2θ<subgt;i</subgt;/θ<subgt;i</subgt;/0]，进一步变换纤维螺旋单元之间交叉式组合的错位角α，形成一系列双螺旋交叉式铺层设计方案。理论分析了双螺旋交叉式铺层设计对复合材料层合板力学性能的影响，并对错位角α进行优化设计。本发明专利技术优化设计的最佳错位角α，提升了复合材料层合板的理论面外刚度，同时有效弱化了纤维增强复合材料层合板x轴向与y轴向的等效弹性模量(等效弯曲模量)之间的差异性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料铺层设计方法领域，具体涉及一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法。
技术介绍
1、在自然界中，一种古老的鱼类——腔棘鱼，其鳞片能够吸收外界施加的负荷，并能有效抵抗裂纹的扩展，能够有效防御食肉动物的攻击。鳞片由坚硬的矿化外壳包围着更具韧性的核心组成，核心区主要由矿化胶原原纤维组成的双螺旋胶合板微纳结构，双螺旋单元之间呈现出交叉式排列组合形式。这种生物螺旋结构与实际工程上广泛应用的纤维增强树脂基复合材料层合结构的配置相像，均是由纤维增强和填充相组成。但传统的纤维增强树脂基复合材料层合结构主要是正交结构(即相邻纤维片层间的旋转角为90°)、准各项同性结构(即相邻纤维片层间的旋转角为45°)以及单向结构(即纤维取向都是0°)。随着复合材料在各个领域的广泛应用，传统铺层设计的复合材料层合板不再能满足工程领域日益增长的需求，针对高性能纤维增强复合材料的设计体系也需要注入新鲜血液。因此，这种仿生双螺旋结构设计显著丰富了纤维铺层设计方案，有助于实现力学性能更优异的仿生结构复合材料，这对高性能纤维增强复合材料在航空航天等工程领域的发展具有重大意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法。本专利技术在传统的复合材料层合板中引入生物螺旋结构，目的在于丰富纤维取向设计方案，提供一种从铺层设计出发的简易方法来提高复合材料层合板的面外刚度，降低复合材料层合板面内各向异性，以实现力学性能更优异的仿生结构复合材料。</p>2、本专利技术所采用的具体技术方案如下：
3、本专利技术提供了一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，具体如下：
4、s1：确定纤维片层逐层堆叠时的旋转角度θ；
5、s2：根据确定的旋转角度θ，分别形成一个正向螺旋单元[0/θ/2θ/.../180-θ/180]以及一个反向螺旋单元[180/180-θ/.../2θ/θ/0]；
6、s3：将所述正向螺旋单元和反向螺旋单元进行交叉式组合堆叠，形成奇数层为正向螺旋单元、偶数层为反向螺旋单元的铺层结构；通过变换正向螺旋单元和反向螺旋单元交叉组合时的错位角αi，得到若干铺层结构，其铺层顺序表示为[0/180+αi/θ/180-θ+αi/2θ/180-2θ+αi/.../180-θ/θ+αi/180/0+αi]；
7、s4：依据错位角αi进行交叉组合而成的仿生复合材料层合板，采用基于经典层合板理论的分析方法，预测所得的仿生复合材料层合板面内以及面外的力学性能；
8、s5：确定每个错位角αi下交叉叠合而成的仿生复合材料层合板中的面内、面外力学性能，选择同时使得仿生复合材料层合板面内x轴向与y轴向的等效模量的差异性最小、面外刚度d*最高的错位角αi为最佳错位角α。
9、作为优选，所述旋转角度θ满足0°≤θ≤180°，错位角αi满足0°≤αi≤180°。
10、作为优选，所述仿生复合材料层合板材料为碳纤维。
11、作为优选，所述步骤s4中，仿生复合材料层合板面内以及面外的理论力学性能具体如下：
12、复合材料层合板的面外刚度可表示为：
13、
14、x轴向和y轴向等效的面内弹性模量可表示为：
15、
16、
17、x轴向和y轴向等效的弯曲模量可表示为：
18、
19、
20、式中，h为仿生复合材料层合板的厚度；dij为仿生复合材料层合板弯曲刚度矩阵系数；dij为仿生复合材料层合板弯曲柔度矩阵系数，可通过弯曲刚度矩阵求逆获取；aij为仿生复合材料层合板拉伸柔度矩阵系数，可通过拉伸刚度矩阵aij求逆获取。
21、本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
22、1、本专利技术实施例是基于腔棘鱼鱼鳞内部纤维排布结构所具有的轻质高强的特性，将仿生的设计理念融入传统的复合材料层合板的铺层设计中。针对现有工程技术中对于材料轻质高强的要求进行纤维种类、铺层设计的优选，提供一种既提升复合材料层合板的面外力学性能，又能有效弱化复合材料层合板的面内各向异性的设计方法；
23、2、本专利技术实施例通过优化铺层设计，解决了目前提高复合材料层合板力学性能的技术的复杂操作性。所述的仿生双螺旋交叉式铺层设计方法可为复合材料层合板的设计和制造提供建设性建议。
24、上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能更清楚的了解本专利技术的技术手段，并可以依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的实施例并配合附图详细说明如后。
本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，其特征在于，具体如下：
2.根据权利要求1所述的一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，其特征在于，所述旋转角度θ满足0°≤θ≤180°，错位角αi满足0°≤αi≤180°。
3.根据权利要求1所述的一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，其特征在于，所述仿生复合材料层合板材料为碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，仿生复合材料层合板面内以及面外的理论力学性能具体如下：
【技术特征摘要】
1.一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，其特征在于，具体如下：
2.根据权利要求1所述的一种仿生复合材料的双螺旋交叉式铺层设计方法，其特征在于，所述旋转角度θ满足0°≤θ≤180°，错位角αi满足0°≤αi≤180°。
3.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭华新，欧阳文婷，王欢，贡博文，高翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。