连续纤维增强复合材料多层级轻质结构、设计及制造方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113787717A(43)申请公布日2021.12.14(21)申请号202110939625.4(22)申请日2021.08.16(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市碑林区咸宁西路28号(72)发明人田小永张学渊李武丹(74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务所61215代理人贺建斌(51)Int.Cl.B29C64/386(2017.01)B33Y50/00(2015.01)G06F30/23(2020.01)G06F113/26(2020.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称连续纤维增强复合材料多层级轻质结构、设计及制造方法(57)摘要连续纤维增强复合材料多层级轻质结构、设计及制造方法，包括具有方形几何图形的田字晶格胞元，由横梁与纵梁组成；胞元内部填充角度为±45的双对角线，其中每一组双对角线都关于它们之间横纵梁交点连线对称平行；双对角线以周期性平行分布，周期长度为沿横纵梁方向的胞元边长，且周期根据胞元数目选定；胞元结构为中心对称的图形，其中对角单元格中的结构形式相同，分别形成角度为±45双对角线互相交叉状结构，和由4条长度相等的横纵梁与单元格4角形成三角形，整体呈现八角蜂窝结构；通过几何参数调控结构分布，以及性能调控，实现连续纤维增强复合材料多层级轻质结构的一体化制造，多层级轻质结构具有更好的抗压缩、抗冲击性能力。CN113787717ACN113787717A权利要求书1/2页1.连续纤维增强复合材料多层级轻质结构，其特征在于：包括具有方形几何图形的田字晶格胞元，由横梁与纵梁组成；胞元内部填充角度为±45的双对角线(斜梁)，其中每一组双对角线(斜梁)都关于它们之间横纵梁交点连线对称平行；双对角线(斜梁)以周期性平行分布，周期长度为沿横纵梁方向的胞元边长，且周期根据胞元数目选定；胞元结构为中心对称的图形，其中对角单元格中的结构形式相同，分别形成角度为±45双对角线(斜梁)互相交叉状结构，和由4条长度相等的横纵梁(短梁)与单元格4角形成三角形，整体呈现八角蜂窝结构。2.权利要求1所述的连续纤维增强复合材料多层级轻质结构的设计方法，包括以下步骤：a)定义XOY平面内成型结构的横纵梁周期函数、双对角线(斜梁)周期函数：横梁函数：其中m1为正整数，代表横梁数目，且取值数不少于3个；L为胞元中最小正方晶格的轮廓边长；xm1为在相同轮廓边长时对应每个m1所形成的横梁；纵梁函数：其中m2为正整数，代表纵梁数目，且取值数不少于3个；ym2为在相同轮廓边长时对应每个m2所形成的纵梁；双对角线(斜梁)函数：y＝‑x+S+2m3Ly＝‑x+2L‑S+2m4Ly＝x+L+S‑2m5Ly＝x‑L‑S‑2m6L其中m3,m4,m5,m6为整数，定义函数的不同截距，其取值范围由上述步骤a中横梁与纵梁的函数确定，由步骤c计算得到；S定义为函数的最小截距。b)设计确定胞元外轮廓尺寸L，内部分参数S的取值范围为(0,L/2)；c)对周期分布的系数mi进行约束取值，获得几何参数化后的多层级连续纤维复合材料轻质结构拟定轮廓与填充结构；在XOY平面内求取外轮廓横梁与纵梁的交点作为斜梁约束点和内部横纵梁的约束边界，利用横纵梁函数、斜梁函数确定其在轮廓内的分布，其约束条件如下：2CN113787717A权利要求书2/2页3.依据权利要求2设计的连续纤维增强复合材料多层级轻质结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用编程软件编程分别求取横纵梁与外轮廓交点信息，对坐标点首尾遍历排序；求取双对角线(斜梁)与外轮廓交点坐标，对坐标点也首尾遍历排序，以此得到连续纤维增强复合材料多层级轻质结构连续坐标点及连续路径；2)根据连续纤维增强复合材料3D打印工艺的要求和步骤1)所获得的连续路径，计算工艺参数；3)利用编程软件将步骤1)所获得的连续坐标点、连续路径及步骤2)所得的工艺参数转换为适配于连续纤维3D打印设备的数据格式，并输出数据文件；4)将上述数据文件导入到连续纤维复合材料3D打印系统，采用连续纤维3D打印工艺以连续纤维为增强体，热塑性材料为基体，制备一体成形的连续纤维增强复合材料多层级轻质结构；5)通过改变步骤3)中结构参数比例值即S/L，得到不同结构形式不同抗压缩抗冲击性能的仿生多层级结构，重复步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)得到一系列多层级轻质结构。4.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料多层级轻质结构，其特征在于：所述的横梁、纵梁分别以相同间距组成基本田字网格结构；双对角线(斜梁)平行且周期性分布与横纵梁形成封闭的连续纤维增强复合材料多层级轻质结构。5.根据权利要求2所述的所述的连续纤维增强复合材料多层级轻质结构的设计方法，其特征在