薄壁筒形结构.pdf

本发明公开了一种薄壁筒形结构，包括若干层铺设有纤维的薄壁单层，每层薄壁单层内纤维的轨迹铺放方式是沿着圆筒的圆周方向划分为多个区域，在每个区域的边界处设置不同的纤维方向角度，同时在每个区域内的纤维方向角度依据所述边界处的角度进行线性变化或者曲线变化。本发明提供的薄壁筒形结构通过控制纤维丝束的牵引方向，在各单层内可自由设计随空间位置连续变化的纤维取向，达到在各个方向上调整刚性和强度的目的，从而提高整体的力学性能，为所需要的结构性能进行最小化重量。

权利要求书
1.  一种薄壁筒形结构，其特征在于，包括若干层铺设有纤维的薄壁单层，每层薄壁单层内纤维的轨迹铺放方式是沿着圆筒的圆周方向划分为多个区域，在每个区域的边界处设置不同的纤维方向角度，同时在每个区域内的纤维方向角度依据所述边界处的角度进行线性变化或者曲线变化。

2.  根据权利要求1所述的薄壁筒形结构，其特征在于，在所述每个区域内的线性或者曲线变化方式是一阶直线，二阶抛物线，三阶曲线和B样条曲线中的至少一种。

3.  根据权利要求2所述的薄壁筒形结构，其特征在于，在所述每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

式中，θ为圆筒圆周变化角度，Ti，Ti+1分别为薄壁单层的每个区域边界处的纤维方向角度，n为沿着圆筒的圆周方向划分的区域个数。

4.  根据权利要求2所述的薄壁筒形结构，其特征在于，在所述每个区域内的纤维方向角度成曲线变化，其纤维的轨迹方程为：

或者

式中，θ为圆筒圆周变化角度，Ti，Ti+1分别为薄壁单层的每个区域边界处的纤维方向角度，n为沿着圆筒的圆周方向划分的区域个数。

5.  根据权利要求3或4所述的薄壁筒形结构，其特征在于，沿着圆筒的圆周方向等量划分为多个区域。

6.  根据权利要求1所述的薄壁筒形结构，其特征在于，所述每层薄壁单层内纤维的轨迹铺放方式是沿着圆筒圆周方向划分为6～10个区域，在每个区域的边界处设置不同的纤维方向角度T1、T2、T3、T4、.....，奇数序号的纤维方向角度为0～45°，偶数序号的纤维方向角度为45～90°。

7.  根据权利要求6所述的薄壁筒形结构，其特征在于，在所述奇数序号的纤维方向角度中，相邻序号的纤维方向角度之差为5～15°。

8.  根据权利要求6所述的薄壁筒形结构，其特征在于，在所述偶数序号的纤维方向角度中，相邻序号的纤维方向角度之差为0.5～25°。

9.  根据权利要求1所述的薄壁筒形结构，其特征在于，n为8。

说明书薄壁筒形结构
技术领域
本发明涉及材料与结构设计技术领域，特别是涉及一种曲线纤维复合材料薄壁筒形结构。
背景技术
由于结构简单、受力合理、材料用量省、易加工等特点，薄壁筒形结构广泛应用于工程乃至生活领域。然而不足之处在于，薄壁圆筒件容易屈曲。从结构上来说，提高薄壁圆筒件临界屈曲载荷的方法有两个：一是增加壁厚，但是增加壁厚必然会增加重量，这在航空航天领域是不允许的；二是采用桁条结构，在某种程度上来说可以提高其抗弯性能，但是一定程度上造成结构复杂，增加了薄壁圆筒的布置空间。
传统的纤维复合材料制件采用平行顺直的纤维铺放形成的纤维织物制备，该纤维复合材料制件在承受面内压缩、剪切作用时，容易发生屈曲破坏。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种薄壁筒形结构，以提高薄壁筒形结构的临界屈曲载荷。
基于上述目的，本发明提供的薄壁筒形结构包括若干层铺设有纤维的薄壁单层，每层薄壁单层内纤维的轨迹铺放方式是沿着圆筒的圆周方向划分为多个区域，在每个区域的边界处设置不同的纤维方向角度，同时在每个区域内的纤维方向角度依据所述边界处的角度进行线性变化或者曲线变化。
作为本发明的一个实施例，在所述每个区域内的线性或者曲线变化方式是一阶直线，二阶抛物线，三阶曲线和B样条曲线中的至少一种。
作为本发明的又一个实施例，在所述每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

式中，θ为圆筒圆周变化角度，Ti，Ti+1分别为薄壁单层的每个区域边界处的纤维方向角度，n为沿着圆筒的圆周方向划分的区域个数。
作为本发明的一个较佳实施例，在所述每个区域内的纤维方向角度成曲线变化，其纤维的轨迹方程为：

或者

式中，θ为圆筒圆周变化角度，Ti，Ti+1分别为薄壁单层的每个区域边界处的纤维方向角度，n为沿着圆筒的圆周方向划分的区域个数。
作为本发明的一个优选实施例，沿着圆筒的圆周方向等量划分为多个区域。
作为本发明的一个实施例，所述每层薄壁单层内纤维的轨迹铺放方式是沿着圆筒圆周方向划分为6～10个区域，在每个区域的边界处设置不同的纤维方向角度T1、T2、T3、T4、…..，奇数序号的纤维方向角度为0～45°，偶数序号的纤维方向角度为45～90°。
作为本发明的一个较佳实施例，在所述奇数序号的纤维方向角度中，相邻序号的纤维方向角度之差为5～15°。
作为本发明的一个较佳实施例，在所述偶数序号的纤维方向角度中，相邻序号的纤维方向角度之差为0.5～25°。
作为本发明的一个较佳实施例，n为8。
从上面所述可以看出，本发明提供的薄壁筒形结构通过控制纤维丝束的牵引方向，在各单层内可自由设计随空间位置连续变化的纤维取向，达到在各个方向上调整刚性和强度的目的，从而提高整体的力学性能，为所需要的结构性能进行最小化重量，该薄壁筒形结构通过合理的铺层设计，优化其纤维角度布置，能够使抗屈曲能力得到最大限度优化，从而在工程领域实现更好的轻量化设计，无论是提升结构性能还是降低能源消耗方面都能有所贡献。
附图说明
图1为本发明实施例的纤维路径方向角定义的示意图；
图2为本发明实施例的每层8个区域边界上的纤维方向角度，此8个纤维方向角度作为优化的设计变量；
图3为本发明实施例的沿长度方向布置曲线纤维的示意图；
图4为本发明实施例的沿圆周方向布置曲线纤维的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，其为本发明实施例的纤维路径方向角定义的示意图。本发明提供的薄壁筒形结构包括若干层铺设有纤维的薄壁单层，每层薄壁单层内纤维的轨迹铺放方式是沿着圆筒圆周方向划分为多个区域，在每个区域的边界处设置不同的纤维方向角度T(T1、T2、T3、T4、…..)，同时在每个区域内的纤维方向角度依据所述边界处的角度进行线性变化或者曲线变化该薄壁筒形结构为铺设有曲线纤维的复合材料，其整体为多层以一定轨迹的纤维在缝合线或粘合剂作用下形成复合材料并制成的圆筒结构。所述纤维可以是碳纤维、玻璃纤维等等。根据图1可知，在本发明中所述纤维方向角度T定义为区域边界处与圆筒表面相切的纤维切向角，θ定义为圆筒表面各处纤维与T1处纤维的沿圆周方向的夹角。
作为本发明的一个实施例，在所述每个区域内的线性或者曲线变化方式是一阶直线，二阶抛物线，三阶曲线和B样条曲线中的至少一种。
举例来说，在所述每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

式中，θ为圆筒圆周变化角度，Ti，Ti+1分别为薄壁单层的每个区域边界处的纤维方向角度，n为沿着圆筒圆周方向划分的区域个数。优选地，n为沿着圆筒的圆周方向等量划分的区域个数。
二阶抛物线轨迹方程：

参数说明同上。
三阶曲线轨迹方程：

参数说明同上。
为了保证设计的可靠性，而且还要确保制造的可行性，需要合理地限制区域边界纤维方向角度的个数，每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为8个区域(区域1、区域2……区域8)，每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

需要说明的是，由于纤维是以圆筒圆周方向进行铺设的，T9即为T1，如图2所示。
作为本发明的另一个实施例，每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为10个区域，也可以分为7个区域，或者6个区域等等。
进一步地，在每个区域的边界处设置不同的纤维方向角度T1、T2、T3、T4、…..，奇数序号(T1、T3、T5…..)的纤维方向角度为0～45°，偶数序号(T2、T4、T6…..)的纤维方向角度为45～90°。
作为本发明的一个较佳实施例，在所述奇数序号的纤维方向角度中，相邻序号的纤维方向角度之差为5～15°。更为优选地，在所述偶数序号的纤维方向角度中，相邻序号的纤维方向角度之差为0.5～25°。
实施例1
在Abaqus软件中进行仿真建模计算，尺寸为φ610×810mm，圆筒壁厚t＝3.2mm，由16层均衡对称的曲线纤维[±θ(x)]4s铺设而成，每层厚度均为0.2mm。其中纤维的材料参数如下表：
项目数值纤维方向杨氏模量E1181Mpa纤维横向的杨氏模量E210.27Mpa
面内剪切模量G127.17Mpa泊松比v120.28密度1500kg/m3
加载方式：对于圆筒两个自由末端进行完全固支，在圆筒外表面位于长度中间端施加纯弯矩1000Nm。在Abaqus软件中进行仿真建模中，对模型网格划分为长度方向为231个网格，直径方向为121个网格。每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为8个区域，单层的每个区域边界的纤维方向角度为：
方向角T1T2T3T4T5T6T7T8曲线27.2°54.3°17.7°57.9°26.6°78.3°36.4°78.8°
每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

根据复合材料单层铺叠顺序设计指南：
(1)为了消除不必要的(和难于分析的)薄膜/弯曲耦合，薄壁圆筒的铺叠顺序应对称。
(2)为了消除拉伸/剪切耦合，铺层组应均衡(在薄壁圆筒中，每个铺层应有一个对应的相同材料和厚度的铺层)。
(3)为了尽量避免弯曲/扭转耦合，和铺层应集合在一起。
如图3和4所示。
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由16层均衡对称的直线纤维[±45,02,±45,902]s方向角铺设而成的复合材料薄壁圆筒相比较，结果如下：
纤维布置方式直线曲线临界屈曲载荷值6624N7242N
据此可知，本发明提供的薄壁圆筒结构的抗屈曲能力显著强于普通直线纤维圆筒结构。
实施例2
每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为8个区域，单层的每个区域边界的纤维方向角度为：
方向角T1T2T3T4T5T6T7T8曲线25.8°58.6°37.9°66.2°22.4°61.6°26.3°49.2°
每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

其他同实施例1。
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由16层均衡对称的直线纤维[±45,02,±45,902]s方向角铺设而成的复合材料薄壁圆筒相比较，结果如下：
纤维布置方式直线曲线临界屈曲载荷值6624N7201N
据此可知，本发明提供的薄壁圆筒结构的抗屈曲能力显著强于普通直线纤维圆筒结构。
实施例3
每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为6个区域，单层的每个区域边界的纤维方向角度为：
方向角T1T2T3T4T5T6曲线26.6°59.6°17.5°59.9°32.5°77.9°
每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

其他同实施例1。
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由16层均衡对称的直线纤维[±45,02,±45,902]s方向角铺设而成的复合材料薄壁圆筒相比较，结果如下：
纤维布置方式直线曲线临界屈曲载荷值6624N6855N
据此可知，本发明提供的薄壁圆筒结构的抗屈曲能力显著强于普通直线纤维圆筒结构。
实施例4
每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为10个区域，单层的每个区域边界的纤维方向角度为：
方向角T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10曲线28.1°59.1°16.0°62.2°30.6°82.6°23.5°55.9°38.0°69.2°
每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

其他同实施例1。
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由16层均衡对称的直线纤维[±45,02,±45,902]s方向角铺设而成的复合材料薄壁圆筒相比较，结果如下：
纤维布置方式直线曲线临界屈曲载荷值6624N6793N
据此可知，本发明提供的薄壁圆筒结构的抗屈曲能力显著强于普通直线纤维圆筒结构。
实施例5
每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为8个区域，单 层的每个区域边界的纤维方向角度为：
方向角T1T2T3T4T5T6T7T8曲线34.1°51.4°23.3°65.1°28.1°76.9°18.1°48.0°
每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

其他同实施例1。
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由16层均衡对称的直线纤维[±45,02,±45,902]s方向角铺设而成的复合材料薄壁圆筒相比较，结果如下：
纤维布置方式直线曲线临界屈曲载荷值6624N7222N
据此可知，本发明提供的薄壁圆筒结构的抗屈曲能力显著强于普通直线纤维圆筒结构。
实施例6
每个单层层内纤维的轨迹铺放方式可以以圆筒圆周方向分为8个区域，单层的每个区域边界的纤维方向角度为：
方向角T1T2T3T4T5T6T7T8曲线17.6°71.9°26.6°83.8°39.6°70.2°34.8°86.5°
每个区域内的纤维方向角度成线性变化，其纤维的轨迹方程为：

其他同实施例1。
将根据上述铺设方式得到的薄壁圆筒结构与另一组由16层均衡对称的直线纤维[±45,02,±45,902]s方向角铺设而成的复合材料薄壁圆筒相比较，结果如 下：
纤维布置方式直线曲线临界屈曲载荷值6624N7209N
据此可知，本发明提供的薄壁圆筒结构的抗屈曲能力显著强于普通直线纤维圆筒结构。
本发明的优点及功效：
(1)与普通复合材料圆筒相比，抗屈曲能力显著提升；
(2)与普通直线纤维复合材料圆筒相比，可设计性较强。
由此可见，本发明提供的薄壁筒形结构通过控制纤维丝束的牵引方向，在各单层内可自由设计随空间位置连续变化的纤维取向，达到在各个方向上调整刚性和强度的目的，从而提高整体的力学性能，为所需要的结构性能进行最小化重量，该薄壁筒形结构通过合理的铺层设计，优化其纤维角度布置，能够使抗屈曲能力得到最大限度优化，从而在工程领域实现更好的轻量化设计，无论是提升结构性能还是降低能源消耗方面都能有所贡献。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。