一种铺层及其应用

技术领域

本发明涉及铺层技术领域，尤其涉及一种铺层及其应用。

背景技术

目前，在材料轻量化设计中，铺层的设计至关重要。

CN113221255A公开了一种复合材料过渡车钩的复合材料铺层设计方法。方法包括：S1、获取现有已经设计好的复合材料过渡车钩的三维模型；S2、根据S1中的结构形式以及该结构在受拉和受压两种工况下初步确定初始的铺层参数信息；S3、以S2中确定的初始的每一层铺层的铺层角度为待优化参数，结合已知两种工况下的有限元分析，采用遗传算法来进行优化；S4、根据得到的优化后的铺层参数信息，成型复合材料过渡车钩，进行实验，验证优化结果的可行性。通过采用遗传算法来进行优化，使得最后得到的复合材料过渡车钩铺层达到最优，从而最大程度发挥复合材料轻质高强的特点，实现车钩结构的轻量化。

CN114329763A公开了一种飞机结构中复合材料层合板铺层顺序优化方法包括：在确定铺层数的条件下，选定多个可选铺层顺序；计算各个可选铺层顺序的等效铺层参数；在等效铺层参数约束条件下，以等效铺层参数为优化变量，以屈曲载荷最大为目标，得到最优等效铺层参数；选取与最优等效铺层参数偏差较小的多个可选铺层顺序，作为可用铺层顺序；以各个可用铺层顺序中，屈曲载荷最大的一个作为最终铺层顺序。此外，涉及一种飞机结构中复合材料层合板铺层方法，以上述的飞机结构中复合材料层合板铺层顺序优化方法，确定铺层顺序，以该铺层顺序进行铺层。

目前，对于导流罩使用的复合材料中，主要是由短纤维复合材料形成的，形成的工艺为短纤维复合材料模压工艺技术，其中包括SMC/BMC模压技术、短切模压料模压技术、短切碳纤维预浸带模压技术、夹层结构喷涂模压技术、在线SMC模压技术等，局限在于质量重，成型结构力学性能低。

综上，要开发一种碳纤维复合材料的导流罩，其纤维为长纤维，对于定厚度的碳纤维复合材料，长纤维铺层角度的设计是至关重要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铺层及其应用，所述铺层具有优异的刚度，振动特性和强度，所述铺层在结构轻量化的基础上不容易变形，抵抗外部载荷能力高，也不容易发生共振。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种铺层，所述铺层包至少六层(例如8层、10层、12层、14层、16层、18层等)长纤维层(进一步优选至少12层)；

最外侧的两层的长纤维层的铺设角度各自独立地为40～50°(例如42°、44°、46°、48°等)或-40～-50°(例如-42°、-44°、-46°、-48°等)；

所述长纤维层的铺设角度至少有四层(例如五层、六层、七层、八层等)不同。

本发明中，所述铺层避免使用完全单一方向的铺层，尽量包含多个铺层角度，从而减少结构热应力等对于结构性能的影响，减小泊松比。本发明中，所述长纤维层中最外侧的两层应选择铺设角度各自独立地为40～50°或-40～-50°，能够降低拉弯耦合等引起的结构翘曲，相对于其他角度(30°及60°)的铺层，此铺层结构具有更好的刚度性能，在工艺上更易于操作。

本发明中，所述铺设角度的确定方式为：是以基底所在平面建立横向和纵向的坐标轴，横向一侧为0°和180°(方向一致，仅用于区分正负铺设角度)，纵向一侧为90°，长纤维层中的长纤维取向轴与横向的夹角为铺设角度，其中，在0°～90°之间设置的长纤维层为正铺设角度，在90°～180°之间设置的长纤维层为负铺设角度。

本发明中，所述长纤维层中的标准为：长度大于65mm(例如66mm、68mm、70mm、72mm、74mm、76mm等)的连续单向纤维。

优选地，以基底长边的拉伸和压缩方向为横向。

优选地，所述铺层具有铺设角度为0°的长纤维层。

优选地，以所述长纤维层总层数为100％计，所述铺设角度为0°的长纤维层的层数占比为25％-50％，例如30％、35％、40％、45％等。

本发明中，所述铺设角度为0°的长纤维层的层数控制在25％-50％范围内的原因在于：导流罩结构在使用中重点承受拉压载荷，而且保证结构能够最有效、最直接地传递给定方向外载荷，提高承载能力、结构稳定性和抗冲击损伤能力。

优选地，所述铺设角度为0°的长纤维层，其两侧的长纤维层的铺设角度各自独立地为40～50°(例如42°、44°、46°、48°等)或-40～-50°(例如-42°、-44°、-46°、-48°等)。

优选地，所述铺层具有铺设角度为90°的长纤维层。

优选地，以所述长纤维层总层数为100％计，所述铺设角度为90°的长纤维层的层数占比为6％-16％，例如10％、12％、14％、16％等。

本发明中，所述铺设角度为90°的长纤维层的层数占比为6％-16％，控制在此比例的原因在于：为了使铺层在各个方向均不承受主要载荷，提升结构稳定性，避免长纤维层中的树脂直接承受载荷。

优选地，所述铺设角度为90°的长纤维层，其两侧的长纤维层的铺设角度各自独立地为40～50°(例如42°、44°、46°、48°等)或-40～-50°(例如-42°、-44°、-46°、-48°等)。

优选地，所述长纤维层的层数为偶数层，以所述长纤维层中间两层为基准，两侧的长纤维层对称分布。

本发明中，优选所述长纤维层的层数为偶数层，以所述长纤维层中间两层为基准，两侧的长纤维层对称分布，原因在于：此结构降低拉弯耦合等引起的结构翘曲，提升铺层的结构稳定性。

优选地，所述长纤维层的材质包括碳纤维和环氧树脂的组合。

优选地，所述碳纤维和环氧树脂的质量比为(1-1.6)：1，其中，1-1.6可以为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5等。

优选地，所述长纤维层的总厚度为1-5mm，例如1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm等。

优选地，所述铺层包括十四层碳纤维层。

按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为45°、0°、-45°、90°、45°、0°、-45°、-45°、0°、45°、90°、-45°、0°、45°。

第二方面，本发明提供一种导流罩，所述导流罩包括第一方面所述的铺层。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述的铺层具有优异的刚度，振动特性和强度，所述铺层不容易变形，抵抗外部载荷能力高，也不容易发生共振，尤其是刚度性能，在承受外载荷作用下，结构变形小，NVH性能高，结构在使用中能够更好的发挥自身的功能性。

(2)相比于现有导流罩，轻量化的目标达成。

(3)本发明所述的铺层的刚度值在34.5N/mm以上，在优选的范围内，刚度值在57.7N/mm以上；

本发明以一阶模态为例，所述铺层的频率在14.51Hz以上，在优选的范围内，频率在16.87Hz以上；

本发明所述的铺层的最大应力值满足材料的断裂强度，最大应力值在489.3MPa以上，在优选的范围内，最大应力值在323.2MPa以内；

本发明所述的铺层相较于玻璃钢复合材料的导流罩降低多达7.57kg。

附图说明

图1是本发明在表面刚度工况测试中加载点选取区域的示意图；

图2是本发明在扭转强度工况测试的示意图；

图3是实施例1所述的铺层的结构示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明中，各实施方式中，涉及的原料的信息如下：

环氧树脂：购于达森(天津)材料科技有限公司，型号为HJ-815/966；

碳纤维：购于嘉兴纽特复合材料有限公司，型号为T300。

实施例1

本实施例提供一种铺层，所述铺层包括十四层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(按照CN1291831C公开的方法)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为45°、0°、-45°、90°、45°、0°、-45°、-45°、0°、45°、90°、-45°、0°、45°，结构示意图如图3所示；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

实施例2

本实施例提供一种铺层，所述铺层包括十层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为-40°、90°、45°、0°、-45°、-45°、0°、45°、90°、-50°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.18mm。

实施例3

本实施例提供一种铺层，所述铺层包括十六层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.6：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为45°、45°、0°、-45°、90°、45°、0°、-45°、-45°、0°、45°、90°、-45°、0°、45°、45°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.15mm。

实施例4

本实施例提供一种铺层，所述铺层包括十四层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为45°、0°、-45°、0°、45°、0°、-45°、-45°、0°、45°、90°、-45°、0°、45°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

实施例5

本实施例提供一种铺层，所述铺层包括十三层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为45°、0°、-45°、90°、45°、0°、-45°、0°、45°、90°、-45°、0°、45°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

对比例1

本对比提供一种现有产品常用玻璃纤维复合材料导流罩，所述玻璃纤维复合材料为短纤维，并且采用的制造工艺为短切模压料模压技术。

对比例2

本对比例提供一种铺层，所述铺层包括十四层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为30°、0°、-30°、90°、30°、0°、-30°、-30°、0°、30°、90°、-30°、0°、30°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

对比例3

本对比例提供一种铺层，所述铺层包括十四层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

对比例4

本对比例提供一种铺层，所述铺层包括十四层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°、90°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

对比例5

本对比例提供一种铺层，所述铺层包括十四层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

对比例6

本对比例提供一种铺层，所述铺层包括十四层碳纤维层；

所述碳纤维层由质量比为1.4：1的碳纤维和环氧树脂组成；

所述铺层在导流罩模具内通过真空辅助树脂注入工艺(与实施例1相同)进行制备，按照离所述导流罩模具由近至远的次序，所述碳纤维层的铺设角度依次为45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°；

所述碳纤维层每层的厚度为0.165mm。

性能测试

将实施例1-5和对比例1-6所述的铺层进行如下测试：

(1)表面刚度工况：在导流罩上选取九个典型区域按序号由小到大依次进行按压，约束导流罩与白车身连接处六个方向自由度，对9个区域法向施加300N的载荷，选取九个典型区域示意图如图1所示。刚度是指导流罩在受力时抵抗弹性变形的能力。刚度高说明导流罩不容易变形，抵抗外部载荷能力高。

测试结果汇总于表1-2中。

表1

表2

分析表1数据可知，本发明所述铺层以导流罩为例，即将碳纤维形成铺层应用于导流罩中时，导流罩不容易变形，抵抗外部载荷能力高；以加载点1为例，刚度值在34.5N/mm以上，在优选的范围内，刚度值在57.7N/mm以上。

分析对比例1与实施例1可知，对比例1性能不如实施例1，证明本发明碳纤维复合材料的性能更佳。

分析对比例2与实施例1可知，对比例2性能不如实施例1，证明本发明所述铺层的性能更佳。

分析对比例3-6与实施例1可知，对比例3-6性能不如实施例1，证明相对于与单一铺设角度或两个铺设角度交错设置，本发明所述铺层的性能更佳。

分析实施例4-5与实施例1,可知，实施例4-5性能不如实施例1，证明铺层中的长纤维层设置偶数层并对称设置性能更佳。

(2)振动特性-约束模态：约束导流罩与车身的连接位置，对固定点的六个自由度进行全约束，对导流罩进行约束模态分析。此为对导流罩固有频率的计算，最终目标是识别出导流罩的模态参数、为导流罩的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及导流罩动力特性的优化设计提供依据。一阶模态越高，说明导流罩越不容易发生共振，在设计时，倾向于提高其一阶模态。

测试结果汇总于表3-4中。

表3

表4

分析表3数据可知，本发明所述的铺层的频率高，尤其是一阶模态较高，以一阶模态为例，所述铺层的频率在14.51Hz以上，在优选的范围内，频率在16.87Hz以上。

分析对比例1与实施例1可知，对比例1性能不如实施例1，证明本发明所述碳纤维环氧树脂复合材料的性能更佳。

分析对比例2与实施例1可知，对比例2性能不如实施例1，证明本发明所述铺层的性能更佳。

分析对比例3-6与实施例1可知，对比例3-6性能不如实施例1，证明相对于与单一铺设角度或两个铺设角度交错设置，本发明所述铺层的性能更佳。

分析实施例4-5与实施例1,可知，实施例4-5性能不如实施例1，证明铺层中的长纤维层设置偶数层并对称设置性能更佳。

(3)扭转强度工况：根据导流罩与白车身的固定点位置分布，考虑到导流罩在使用过程中可能会受到扭转载荷，因此将导流罩与白车身右侧固定点及后面两个固定点约束六个自由度，在导流罩与白车身左前方固定点施加大小为300N的力，方向竖直向下，如下图2所示扭转强度工况示意图。对于扭转强度工况，最大应力值应小于碳纤维复合材料的断裂强度570MPa，最大应力越小，说明铺层方案的设计使得结构具有越高的强度性能，抵抗外界载荷能力越强。

测试结果汇总于表5中。

表5

分析表5数据可知，本发明所述的铺层的最大应力值满足材料的断裂强度，最大应力值在489.3MPa以内，在优选的范围内，最大应力值在323.2MPa以内。

分析实施例4-5与实施例1对比，可知实施例1的最大应力值更小，实施例4-5的强度性能不如实施例1，证明铺层中的长纤维层设置偶数层并对称设置性能更佳。

(4)轻量化目标达成：

导流罩轻量化目标的达成在于实施例1与对比例1之间质量的比较。测试结果汇总于表6中。

表6

由表6可以看出，本发明所述铺层的碳纤维复合材料相较于玻璃钢复合材料的导流罩降低7.57kg，轻量化目标达成。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。