【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料，具体涉及一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板及设计和制备方法。
技术介绍
1、随着复合材料层合板在各个领域的广泛应用，在实际服役过程中不可避免会遭受到外界的冲击载荷，提升其抗冲击性能是亟待解决的问题。目前，提升层合板抗冲击性能的技术方法主要有缝合、三维编织和植入z-pin等，但这些技术都会引起层合板面内性能的降低，同时也增加了制备工艺可操作性的难度。对纤维增强复合材料而言，铺层设计直接影响复合材料内部的应力分布和损伤特征，进而呈现出的不同力学特性，为复合材料层合板的设计提供了广阔的空间。
2、随着现代仿生学的快速发展，仿生学与材料科学相互结合、渗透、影响，设计出大量新型复合材料，已成为现代科研工作研究发展的重要组成部分。其中雀尾螳螂虾凭借其抗冲击性能优异的附足备受关注。附足指节内部存在由几丁质纤维片层呈螺旋状堆叠的典型结构特征，大量纤维螺旋单元连续聚集形成一个周期区域，并且这些纤维螺旋单元的节距非等距变化，而是从生物的外表层往内侧方向呈现出梯度式降低。这是一种生物结构优化设计策略，以应对外部动态载荷造成生物结构处于不同应力状态的情况，并发挥耗散能量、延缓结构彻底失效的重要作用。受其启发，仿生抗冲击结构的优化设计可以从定位调整局部的铺层设计出发，通过在层合板的局部区域引入不同旋转角的纤维螺旋单元，调控局部结构的冲击损伤行为，实现复合材料层合板全局性能的提升。因此，这种仿生梯度螺旋结构复合材料一方面可以降低制备工艺的操作难度且不影响复合材料面内力学性能，另一方面通过调控复合材料层合板局部区域的冲击响
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决现有的提升复合材料层合板抗冲击性能技术的复杂程度，从仿生学的角度出发，并提供一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板及设计和制备方法，通过铺层设计的简易方法来提高复合材料层合板的抗冲击性能。
2、本专利技术所采用的具体技术方案如下：
3、第一方面，本专利技术提供了一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板，其包含沿竖直(即厚度)方向同轴堆叠的若干纤维螺旋单元；所述纤维螺旋单元通过碳纤维预浸料逐层堆叠，每次铺设的纤维层都相比上一层的纤维方向旋转相同的角度，最终累计转过180°为一个单元周期；不同纤维螺旋单元具有不同的旋转角度。
4、第二方面，本专利技术提供了一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板的设计方法，具体如下：
5、s1：确定层合板的总铺层数n；
6、s2：根据确定的总铺层数n，设置待选的旋转角度θi参数，单片纤维层从0°开始逐层堆叠，每次铺设纤维都相比上一层的纤维方向旋转角度θi，最终按照铺层顺序[0/θi/2θi/3θi...180]ns叠合成对称的螺旋结构复合材料层合板，其中下标n表示纤维螺旋单元的数量，下标s表示对称铺层；
7、s3：对于每个待选的线性递增旋转角度θi，针对该旋转角度θi下堆叠而成的对称螺旋结构复合材料层合板，理论推导出冲击接触区域形成初始剪切裂纹时的冲击载荷fs；
8、s4：对于每个待选的线性递增旋转角度θi，针对该旋转角度θi下堆叠而成的螺旋结构复合材料层合板，基于线弹性断裂力学模型理论推导出层合板背部的基体裂纹尖端的归一化能量释放率g；
9、s5：针对每个线性递增旋转角度θi下叠合而成的螺旋结构复合材料层合板，根据步骤s3确定其冲击区域形成剪切裂纹时的冲击载荷fs，选择使fs偏大的旋转角度作为仿生梯度螺旋结构复合材料层合板冲击侧的优选，同时根据步骤s4确定螺旋结构复合材料层合板背部的裂纹尖端的能量释放率g，选择使g偏小的旋转角度作为梯度螺旋结构复合材料层合板背侧的优选；
10、s6：按照步骤s5，将局部区域优选出的具有不同旋转角度的多种纤维螺旋单元堆叠组合成梯度螺旋结构复合材料层合板。
11、作为优选，所述线性递增旋转角度θi满足0°＜θi＜90°且能被180°整除，保证对称的螺旋结构复合材料层合板具有2n个完整的纤维螺旋单元。
12、作为优选，所述仿生梯度螺旋结构复合材料层合板的材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料。
13、作为优选，所述步骤s3中，冲击载荷fs表示为
14、
15、其中r是冲击器的半径，e'1是冲击器的模量；e'2是螺旋结构复合材料层合板面外方向上的有效模量，其与待选的旋转角θi相关；h是螺旋结构复合材料层合板的厚度，τ是螺旋结构复合材料层合板的剪切强度，取决于复合材料基体的性能。
16、作为优选，所述步骤s4中，归一化能量释放率g表示为
17、
18、上式中φ是裂纹尖端和初始裂纹尖端的相对扭转角，α*为裂纹面的有效倾斜角，其中x代表初始裂纹尖端沿裂纹扩展方向的变化值，y表示初始裂纹尖端沿纤维方向的变化值，d表示螺旋结构复合材料层合板的单层厚度，υ表示螺旋结构复合材料层合板的泊松比。
19、第三方面，本专利技术提供了一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板的制备方法，具体如下：
20、s1：根据设计要求，通过数控裁床裁切碳纤维预浸料，获取大量纤维方向呈特定角度排列的纤维片层；
21、s2：按照优化设计的铺层顺序，在平整的模具上对所述纤维片层进行逐层铺贴，其中每铺贴4层纤维片层就进行一次抽真空做预压实处理；
22、s3：按照热压罐成型工艺对根据步骤s2堆叠好的预浸料完成高温高压成型，最后将成品从模具上取出，获得一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板。
23、本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
24、1、本专利技术实施例是基于生物内部几丁质纤维片层呈螺旋状堆叠的结构特征，借鉴生物梯度结构的设计策略，将其与碳纤维复合材料层合板的铺层设计相融合，针对现有工程技术中对于结构材料轻质高强的要求进行设计优选，提供一种铺层设计方法以提高复合材料层合板的抗面外冲击性能；
25、2、本专利技术实施例解决了目前提高复合材料层合板面外抗冲击性能技术的复杂操作性，并且本专利技术在提升复合材料层合板面外力学性能的基础上不造成面内力学性能的降低。所述的仿生梯度螺旋铺层设计方法为新型抗冲击复合材料的研究与应用提供了新的设计思路和技术支持。
26、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，以下以具体的实施例并配合附图详细说明。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板，其特征在于，包含沿厚度方向同轴堆叠的若干纤维螺旋单元；所述纤维螺旋单元通过碳纤维预浸料逐层堆叠，每次铺设的纤维层都相比上一层的纤维方向旋转相同的角度，最终累计转过180°为一个单元周期；不同纤维螺旋单元具有不同的旋转角度。
2.一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板的设计方法，其特征在于，具体如下：
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述线性递增旋转角度θi满足0°＜θi＜90°且能被180°整除，保证对称的螺旋结构复合材料层合板具有2n个完整的纤维螺旋单元。
4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述仿生梯度螺旋结构复合材料层合板的材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料。
5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，冲击载荷Fs表示为
6.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，归一化能量释放率G表示为
7.一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板的制备方法，其特征在于，具体如下：
【技术特征摘要】
1.一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板，其特征在于，包含沿厚度方向同轴堆叠的若干纤维螺旋单元；所述纤维螺旋单元通过碳纤维预浸料逐层堆叠，每次铺设的纤维层都相比上一层的纤维方向旋转相同的角度，最终累计转过180°为一个单元周期；不同纤维螺旋单元具有不同的旋转角度。
2.一种仿生梯度螺旋结构复合材料层合板的设计方法，其特征在于，具体如下：
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述线性递增旋转角度θi满足0°＜θi＜90°且能被180°整除，保...
【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳文婷，彭华新，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。