1導(dǎo)讀

具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體在成型過程中不可避免地會產(chǎn)生模具與產(chǎn)品之間的相互作用，其對復(fù)合材料構(gòu)型的穩(wěn)定性有明顯影響。通過引入剪切層的概念來研究模具與產(chǎn)品之間的相互作用，通過一系列實驗來確定剪切層的參數(shù)。本文在Rayleigh-Ritz模型的基礎(chǔ)上，建立了考慮剪切層效應(yīng)的解析模型，以捕捉具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體構(gòu)型變化。該模型揭示了曲率在不同半徑和層間的變化規(guī)律，為雙穩(wěn)態(tài)的存在提供了判據(jù)。結(jié)果表明，模具與產(chǎn)品之間的相互作用對具有初始曲率的復(fù)合材料薄殼結(jié)構(gòu)有顯著影響?；趯嶒灪陀邢拊Ｐ偷慕Y(jié)果驗證分析了預(yù)測的準(zhǔn)確性。此外，還分析了初始半徑、截面角度、疊層順序和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。研究了兩種穩(wěn)定構(gòu)型的扭轉(zhuǎn)行為，可為復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供指導(dǎo)。

在輕量化，小尺寸和適應(yīng)性方面變形結(jié)構(gòu)的研究需求更為緊迫，目前許多研究人員采用雙穩(wěn)態(tài)層合板和雙殼體來制造可變形結(jié)構(gòu)。許多學(xué)者對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合板的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進(jìn)行了研究。研究表明，模具與零件之間相互作用對具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體構(gòu)型的影響不可忽視。因此，有必要系統(tǒng)地研究具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)，并獲得模具與產(chǎn)品之間相互作用于產(chǎn)品曲率的響應(yīng)。

相對于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合板，具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體具有較大的儲存率。雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體由于具有初始曲率，拓寬了雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)曲率半徑的設(shè)計范圍。具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體由于其優(yōu)越性而受到廣泛關(guān)注。

2022年，Top期刊《Composite Structures 》發(fā)表了哈爾濱工業(yè)大學(xué)有關(guān)帶初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體的研究，為復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)殼體的設(shè)計與制造提供了理論依據(jù)。通過引入剪切層概念，分析了模具與產(chǎn)品相互作用的影響，給出了與剪切層參數(shù)相關(guān)的最大翹曲表達(dá)式。此外，還給出了與初始半徑和初始截面角度有關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)判據(jù)。通過實驗和有限元分析驗證了這些分析的正確性。論文標(biāo)題為“Tool-part interaction effect on configurations of bistable composite shell with initial curvature”。

2內(nèi)容簡介

在成型過程中，具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體受模具與產(chǎn)品相互作用的顯著影響。即具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體在成型過程中會發(fā)生翹曲變形。模具在加熱過程中會發(fā)生膨脹，導(dǎo)致復(fù)合材料層間壓力發(fā)生變化。在冷卻和脫模后，這些變化被保留形成殘余應(yīng)力并引起翹曲變形。原因是模具和產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)不匹配，會導(dǎo)致在模具和零件之間產(chǎn)生相對剪切作用，引起翹曲變形。

模具與產(chǎn)品相互作用的影響如圖1所示。樹脂基體隨著時間與溫度的變化逐漸達(dá)到粘彈性階段，在該階段，復(fù)合材料剪切模量較低，靠近模具處對鋪層剪切影響較大，遠(yuǎn)離模具處對鋪層剪切影響較小。復(fù)合材料厚度方向的應(yīng)力梯度產(chǎn)生，形成殘余應(yīng)力，一直持續(xù)到固化結(jié)束。由于脫模后殘余應(yīng)力釋放，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生變形。

文章設(shè)計了一系列的實驗和理論分析模型來研究變形。通過引入剪切層來研究模具與產(chǎn)品的相互作用，在Rayleigh-Ritz模型的基礎(chǔ)上，建立了考慮剪切層影響的解析模型，預(yù)測固化后曲率的變化和二次穩(wěn)定狀態(tài)，并提出了具有初始曲率的復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)殼的穩(wěn)定判據(jù)，給出了與初始半徑有關(guān)的分岔圖。此外，還研究了兩種穩(wěn)定構(gòu)型下幾何參數(shù)對扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的影響。通過實驗和有限元分析驗證了上述分析的正確性。

圖1：模具與產(chǎn)品相互作用引起的翹曲機(jī)理

圖2：考慮剪切層的翹曲示意圖

(a)解析模型的幾何條件（b）受力分析圖（c）模具和產(chǎn)品應(yīng)變分析圖

圖3：具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體有限元模型創(chuàng)建

圖4：用于翹曲實驗的試樣

(a)垂直方向(b)水平方向（c）纖維方向

圖5：不同參數(shù)下的翹曲實驗結(jié)果

表1：模具與碳纖維性能參數(shù)

圖6：用三維激光掃描儀測量曲率

（a）掃描實驗樣品（b）復(fù)合材料殼體點云

圖7：具有初始曲率的復(fù)合材料圓柱殼的變化過程

（a）鋪層：（-45/45）（b）鋪層（-45/45-45/45）

圖8：扭轉(zhuǎn)曲率隨層數(shù)的變化

結(jié)果表明：隨著厚度的增加，剪切作用減弱，扭轉(zhuǎn)曲率減小

圖9：雙穩(wěn)態(tài)判據(jù)

含剪切層的解析模型雙穩(wěn)態(tài)區(qū)域更廣，臨界初始半徑更大，臨界截面更小

圖10：基于剪切層解析模型

不同縱橫比下的雙穩(wěn)性，隨著縱橫比的增大，雙穩(wěn)區(qū)逐漸減小，即交叉角的范圍更廣，可設(shè)計性更強(qiáng)

3小結(jié)

文章研究了模具與產(chǎn)品相互作用對具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼體的影響，為復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)殼體的設(shè)計與制造提供了理論依據(jù)。通過引入剪切層概念，分析了模具與產(chǎn)品相互作用的影響，給出了與剪切層參數(shù)相關(guān)的最大翹曲表達(dá)式。結(jié)果表明：翹曲量與構(gòu)件的厚度成反比，與構(gòu)件的長度成正比；通過一系列實驗得到了剪切層參數(shù)?；赗ayleigh-Ritz模型，提出了考慮剪切層的解析模型，用于預(yù)測固化變形形狀和扭轉(zhuǎn)兩種構(gòu)型下的曲率變化。研究了幾何參數(shù)對雙穩(wěn)態(tài)殼構(gòu)型的影響。隨著厚度的增加，剪切層的作用減小。
對于不同鋪層（-45/45-45/45）和（-45/45）提供了具有初始半徑的曲率變化。結(jié)果表明：對具有初始曲率的復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)殼，層數(shù)對扭轉(zhuǎn)曲率有影響，層數(shù)較少的情況下扭轉(zhuǎn)曲率相對更加顯著。給出了分岔現(xiàn)象，分岔點向右移動，得到了分岔點的臨界半徑，實驗誤差小于10%。特別地，考慮剪切層的解析模型顯著提高了具有初始曲率的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料殼結(jié)構(gòu)的預(yù)測精度。此外，還給出了與初始半徑和初始截面角有關(guān)的雙穩(wěn)判據(jù)。通過實驗和有限元分析驗證了這些分析的正確性。

原始文獻(xiàn)：

Yanqi Li , Ming Li , Xiaohui Liu , Fuhong Dai，Tool-part interaction effect on configurations of bistable composite shell with initial curvature ，Composite Structures Volume 295,?1 September 2022, 115780

原文鏈接（點擊閱讀原文可跳轉(zhuǎn)）：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115780

稿件整理人：檸檬樹

更多關(guān)于復(fù)材固化的知識點?敬請關(guān)注

【精品課程】第2期復(fù)合材料固化仿真分析培訓(xùn)開始報名！

【理論+模型+代碼】

【線上+線下】【授課+答疑】

? ? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?復(fù)合材料力學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

專注于復(fù)合材料力學(xué)領(lǐng)域的知識創(chuàng)作與分享！

655篇原創(chuàng)內(nèi)容 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

公眾號

公眾號首頁回復(fù)以下數(shù)字可獲取相應(yīng)信息

【01】：歷史文章?【02】：投稿指南?【03】：視頻資料

【04】：材料庫? ??【05】：技術(shù)培訓(xùn)?【06】：項目合作

【07】：商務(wù)合作?【08】：文章轉(zhuǎn)載?【09】：加入我們

【10】：聯(lián)系我們?【11】：交流群? ??【12】：意見建議

本文使用 文章同步助手 同步