哈工大：模具与产品之间的相互作用对带初始曲率双稳态复合材料壳体的影响
1导读
具有初始曲率的双稳态复合材料壳体在成型过程中不可避免地会产生模具与产品之间的相互作用，其对复合材料构型的稳定性有明显影响。通过引入剪切层的概念来研究模具与产品之间的相互作用，通过一系列实验来确定剪切层的参数。本文在Rayleigh-Ritz模型的基础上，建立了考虑剪切层效应的解析模型，以捕捉具有初始曲率的双稳态复合材料壳体构型变化。该模型揭示了曲率在不同半径和层间的变化规律，为双稳态的存在提供了判据。结果表明，模具与产品之间的相互作用对具有初始曲率的复合材料薄壳结构有显著影响。基于实验和有限元模型的结果验证分析了预测的准确性。此外，还分析了初始半径、截面角度、叠层顺序和扭转效应的影响。研究了两种稳定构型的扭转行为，可为复合材料双稳态结构的设计提供指导。
在轻量化，小尺寸和适应性方面变形结构的研究需求更为紧迫，目前许多研究人员采用双稳态层合板和双壳体来制造可变形结构。许多学者对双稳态复合材料层合板的结构和应用进行了研究。研究表明，模具与零件之间相互作用对具有初始曲率的双稳态复合材料壳体构型的影响不可忽视。因此，有必要系统地研究具有初始曲率的双稳态复合材料壳体结构，并获得模具与产品之间相互作用于产品曲率的响应。
相对于双稳态复合材料层合板，具有初始曲率的双稳态复合材料壳体具有较大的储存率。双稳态复合材料壳体由于具有初始曲率，拓宽了双稳态复合材料结构曲率半径的设计范围。具有初始曲率的双稳态复合材料壳体由于其优越性而受到广泛关注。
2022年，Top期刊《Composite Structures 》发表了哈尔滨工业大学有关带初始曲率的双稳态复合材料壳体的研究，为复合材料双稳态壳体的设计与制造提供了理论依据。通过引入剪切层概念，分析了模具与产品相互作用的影响，给出了与剪切层参数相关的最大翘曲表达式。此外，还给出了与初始半径和初始截面角度有关的双稳态判据。通过实验和有限元分析验证了这些分析的正确性。论文标题为“Tool-part interaction effect on configurations of bistable composite shell with initial curvature”。
2内容简介
在成型过程中，具有初始曲率的双稳态复合材料壳体受模具与产品相互作用的显著影响。即具有初始曲率的双稳态复合材料壳体在成型过程中会发生翘曲变形。模具在加热过程中会发生膨胀，导致复合材料层间压力发生变化。在冷却和脱模后，这些变化被保留形成残余应力并引起翘曲变形。原因是模具和产品的热膨胀系数不匹配，会导致在模具和零件之间产生相对剪切作用，引起翘曲变形。
模具与产品相互作用的影响如图1所示。树脂基体随着时间与温度的变化逐渐达到粘弹性阶段，在该阶段，复合材料剪切模量较低，靠近模具处对铺层剪切影响较大，远离模具处对铺层剪切影响较小。复合材料厚度方向的应力梯度产生，形成残余应力，一直持续到固化结束。由于脱模后残余应力释放，导致产品发生变形。
文章设计了一系列的实验和理论分析模型来研究变形。通过引入剪切层来研究模具与产品的相互作用，在Rayleigh-Ritz模型的基础上，建立了考虑剪切层影响的解析模型，预测固化后曲率的变化和二次稳定状态，并提出了具有初始曲率的复合材料双稳态壳的稳定判据，给出了与初始半径有关的分岔图。此外，还研究了两种稳定构型下几何参数对扭转响应的影响。通过实验和有限元分析验证了上述分析的正确性。
图1：模具与产品相互作用引起的翘曲机理
图2：考虑剪切层的翘曲示意图
(a)解析模型的几何条件（b）受力分析图（c）模具和产品应变分析图
图3：具有初始曲率的双稳态复合材料壳体有限元模型创建
图4：用于翘曲实验的试样
(a)垂直方向(b)水平方向（c）纤维方向
图5：不同参数下的翘曲实验结果
表1：模具与碳纤维性能参数
图6：用三维激光扫描仪测量曲率
（a）扫描实验样品（b）复合材料壳体点云
图7：具有初始曲率的复合材料圆柱壳的变化过程
（a）铺层：（-45/45）（b）铺层（-45/45-45/45）
图8：扭转曲率随层数的变化
结果表明：随着厚度的增加，剪切作用减弱，扭转曲率减小
图9：双稳态判据
含剪切层的解析模型双稳态区域更广，临界初始半径更大，临界截面更小
图10：基于剪切层解析模型
不同纵横比下的双稳性，随着纵横比的增大，双稳区逐渐减小，即交叉角的范围更广，可设计性更强
3小结
文章研究了模具与产品相互作用对具有初始曲率的双稳态复合材料壳体的影响，为复合材料双稳态壳体的设计与制造提供了理论依据。通过引入剪切层概念，分析了模具与产品相互作用的影响，给出了与剪切层参数相关的最大翘曲表达式。结果表明：翘曲量与构件的厚度成反比，与构件的长度成正比；通过一系列实验得到了剪切层参数。基于Rayleigh-Ritz模型，提出了考虑剪切层的解析模型，用于预测固化变形形状和扭转两种构型下的曲率变化。研究了几何参数对双稳态壳构型的影响。随着厚度的增加，剪切层的作用减小。
对于不同铺层（-45/45-45/45）和（-45/45）提供了具有初始半径的曲率变化。结果表明：对具有初始曲率的复合材料双稳态壳，层数对扭转曲率有影响，层数较少的情况下扭转曲率相对更加显著。给出了分岔现象，分岔点向右移动，得到了分岔点的临界半径，实验误差小于10%。特别地，考虑剪切层的解析模型显著提高了具有初始曲率的双稳态复合材料壳结构的预测精度。此外，还给出了与初始半径和初始截面角有关的双稳判据。通过实验和有限元分析验证了这些分析的正确性。
原始文献：
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
原文链接（点击阅读原文可跳转）：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115780
稿件整理人：柠檬树
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