【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种激光原位成型碳纤维复合材料构件残余应力分布计算方法，属于复合材料增材制造。
技术介绍
1、在碳纤维增强热塑性复合材料激光原位成型过程中，预浸带在激光辐照下迅速升温熔化，在压辊辊压作用下发生固结，随后迅速冷却至室温。材料经历的温度场-应力场和相场影响成型后复合材料结构件的应力分布，并影响其力学性能和几何形状，快速的冷热循环会导致复合材料结构件在厚度和铺放方向都存在温度梯度，导致材料内部应力非均匀分布，应力分布不均匀造成成型后结构件发生形变和力学性能下降。而应力的测量过程中会引入应力传感器，造成额外的结构缺陷，影响构件的性能和结构完整性。
2、针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种激光原位成型碳纤维复合材料构件残余应力分布计算方法，根据成型工艺参数并模拟实际的成型过程，计算成型过程的应力分布。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种激光原位成型碳纤维复合材料构件残余应力分布计算方法，该计算方法可以得到成型后的复合材料构件的应力分布。
2、为实现上述目的，如附图1所示，本专利技术采用如下步骤：
3、步骤一、建立碳纤维复合材料的几何模型；
4、所述的碳纤维复合材料的几何模型由单向cf/peek预浸带铺层和底层组成，单向cf/peek预浸带铺层堆叠n层放置于底层上，单层预浸带宽度为w，单层预浸带厚度为d，单层预浸带长度为l，底层长度和宽度与预浸带一致，底层厚度为h；
5、步骤二、设置碳
6、所述的材料参数包括材料密度ρ、比热容cp、导热率k、弹性模量e、热膨胀系数alpha和材料的熔点tm；
7、步骤三、对碳纤维复合材料几何模型进行网格划分；
8、步骤四、设定平顶激光热源函数q及移动路径；
9、步骤4-1，设定平顶激光热源函数q如式(1)所示；
10、
11、式中p为激光功率，lx，ly分别为光斑在x和y方向长度，(x，y)为激光光斑中心坐标；
12、步骤4-2，设定平顶激光热源移动路径，如式(2)所示；
13、x＝vt-(i-1)t (2)
14、式中v为铺放速度，t为铺放时间，i为对应的第i层，t为单层铺放周期，t1单层加热时间，t2单层冷却时间，其中t1＝l/v，t＝nt，t＝t1+t2；
15、步骤五、根据式(1)和式(2)设置每层碳纤维复合材料的平顶激光热源函数qi，第i层的平顶激光热源函数qi如式(3)所示；
16、
17、步骤六、建立激光原位成型过程的静态压力模型；
18、步骤6-1，设置压辊对碳纤维复合材料的静态压力f；
19、步骤6-2，根据式(4)计算得出静态压力场fs，即为压力边界条件；
20、
21、式中f为向下压力，er为组合弹性模量，r为压辊半径，a为接触长度；
22、步骤七、建立激光原位成型过程的动态压力模型；
23、步骤7-1，根据式(2)规划动态压力场的移动路径，如式(5)所示；
24、xf＝x-(lx+a)/2 (5)
25、式中xf为动态压力场的中心坐标；
26、步骤7-2，根据激光光斑中心(x，y)移动路径和静态压力场fs设置第i层的动态压力场fsi如式(6)所示；
27、
28、步骤八、根据式(2)设定第i层的激活判据，如式(7)所示；
29、xci≤x+lx/2 (7)
30、式中xci为材料单元的坐标；
31、步骤九、设置边界条件和初始温度t0；所述的边界条件为自然对流散热边界条件和表面辐射边界条件；所述的自然对流散热边界条件通过自然对流换热系数表征；所述的表面辐射边界条件通过表面辐射率表征；
32、步骤十、计算得出激光原位成型过程中的温度场分布及演变过程；
33、步骤十一、计算得出碳纤维复合材料构件成型过程中热应力分布及演变过程；
34、步骤十二、计算输出碳纤维复合材料构件成型后的残余应力分布。
35、需要指出的是，本专利技术中，成型构件是预浸带在压辊辊压和激光加热共同作用下x方向逐层铺放堆叠构成；需对每层单独设置热源qi、压力边界fsi和材料激活判据；模拟实际的激光原位成型过程，保证材料激活的同时重新赋予材料热源qi和fsi，避免未铺放预浸带对已铺层的温度场和应力场的影响。
36、有益效果：本专利技术提供的一种激光原位成型碳纤维复合材料构件残余应力分布计算方法，能够有效模拟激光原位成型碳纤维复合材料结构件中的应力分布，有效提高碳纤维增强热塑性复合材料结构件的成型质量和工艺优化。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种激光原位成型碳纤维复合材料构件残余应力分布计算方法，其特征在于该方法采用如下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种激光原位成型碳纤维复合材料构件残余应力...
【专利技术属性】
技术研发人员：王菲，张承灏，张承双，包艳玲，张明军，李玉瑶，阮英波，刘冬，田明，罗宽，曾金芳，苏忠民，侯晓，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：
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