CN108724817A - 一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法 - Google Patents
一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108724817A CN108724817A CN201810418271.7A CN201810418271A CN108724817A CN 108724817 A CN108724817 A CN 108724817A CN 201810418271 A CN201810418271 A CN 201810418271A CN 108724817 A CN108724817 A CN 108724817A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thermoplastic composite
- sandwich panel
- plate
- sandwich
- metal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 144
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 144
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 137
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 title claims abstract description 122
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 title claims abstract description 122
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 24
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 21
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 21
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 229920002292 Nylon 6 Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002302 Nylon 6,6 Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims description 3
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000000805 composite resin Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005290 field theory Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000000518 rheometry Methods 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 210000004177 elastic tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000013386 optimize process Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009757 thermoplastic moulding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
- B32B3/02—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions
- B32B3/06—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions for securing layers together; for attaching the product to another member, e.g. to a support, or to another product, e.g. groove/tongue, interlocking
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
- B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
- B32B37/06—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the heating method
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
- B32B37/10—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the pressing technique, e.g. using action of vacuum or fluid pressure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/0012—Mechanical treatment, e.g. roughening, deforming, stretching
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/08—Impregnating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2250/00—Layers arrangement
- B32B2250/40—Symmetrical or sandwich layers, e.g. ABA, ABCBA, ABCCBA
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2260/00—Layered product comprising an impregnated, embedded, or bonded layer wherein the layer comprises an impregnation, embedding, or binder material
- B32B2260/02—Composition of the impregnated, bonded or embedded layer
- B32B2260/021—Fibrous or filamentary layer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2260/00—Layered product comprising an impregnated, embedded, or bonded layer wherein the layer comprises an impregnation, embedding, or binder material
- B32B2260/04—Impregnation, embedding, or binder material
- B32B2260/046—Synthetic resin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
- B32B2307/50—Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
- B32B2307/558—Impact strength, toughness
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
- B32B2307/70—Other properties
- B32B2307/714—Inert, i.e. inert to chemical degradation, corrosion
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
- B32B2307/70—Other properties
- B32B2307/72—Density
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
本发明公开了一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，包括制备具有拓扑互锁结构的夹层板的步骤和智能控制步骤；智能控制步骤具体包括：根据夹层板制品的三维数模，划分网格，根据热塑性复合材料和金属板的性能参数，计算热塑性复合材料金属夹层板的力学性能；预设热冲压工艺参数，根据预成型夹层板制品的缺陷进行人工神经网络计算、诊断、优化，得到优化热冲压工艺参数；依照优化热冲压工艺参数，将夹层板冲压成型，得到夹层板制品。得到了具有拓扑互锁阵列结构的夹层板结构、实现了人工神经网络系统控制模压过程和在线智能优化，为热塑性复合材料金属夹层板制品智能化、轻量化、高性能、高效率、低成本的制造奠定了良好技术基础。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)因其具有的轻质、高强、可设计性强等特点，为航空航天、轨道交通、军工等轻量化设计提供了重要的原材料和技术手段。热塑性复合材料，可回收，可焊接，成型效率高，成型环境友好，然而，传统工艺制造成本高、周期长，很难适应大批量、规模化应用的要求。随着汽车、轨道交通、新能源等民用领域轻量化设计需求，如何实现CFRP的低成本、短流程制造，以适应大批量、高效成型(成型周期在3分钟以下)的行业发展需要，成为急需解决的关键问题。
“短流程”(Shortened processing)一词起源于20世纪60年代影像集成技术，80年代被广泛用于冶金工业在连铸连轧制造方面的突破。较长流程成型工艺而言，短流程成型金属板材，其吨钢投资可降低约50％，具有成本低、生产效率高、性能高等优点，已经成为冶金工业中重要的制造工艺。
当前，我国已经具备大批量生产普通等级CF的能力，将其作为基础原料制造高性能复合材料产品是我国碳纤维及其复合材料行业向高端制造发展的迫切需要，也是我国战略新兴产业轻量化制造的迫切需求。
发明内容
为了至少解决以上提到的现有技术存在的技术问题之一，本发明实施例公开了一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，该智能制造方法包括步骤：
S1、根据夹层板制品的三维数模，划分网格，根据热塑性复合材料和金属板的性能参数，计算热塑性复合材料金属夹层板的力学性能；
S2、预设热冲压工艺参数，根据预成型夹层板制品的缺陷进行人工神经网络计算、诊断、优化，得到优化热冲压工艺参数；
S3、依照优化热冲压工艺参数，将夹层板冲压成型得到夹层板制品。
本发明一些实施例公开了热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，步骤S1中力学性能包括夹层板的宏观平均应力，该宏观平均应力的计算公式为下述公式(5)：
其中，和由以下公式(4)计算：
其中：为夹层板的宏观平均应力，为夹层板的宏观平均应变，为夹层板的柔度矩阵，Sijmnmn为转换矩阵，为应力张量，为夹层板的刚度矩阵，为初始柔度矩阵，为终止柔度矩阵，为终止刚度矩阵，为初始刚度矩阵，Cr为材料系数，和为集中系数，集中系数的矩阵由夹层板的拉伸模量P和剪切模量G构成，其中，拉伸模量P和剪切模量G分别由如下公式(1)和(2)计算得到：
P代表夹层板的拉伸模量，Pm代表金属板的拉伸模量，Pf代表热塑性复合材料的拉伸模量，η为界面强度因子，G代表夹层板的剪切模量，Gm代表金属板的剪切模量，Gf代表热塑性复合材料的剪切模量，ζ为校正系数。
本发明一些实施例公开了热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，步骤S2中预设热冲压工艺参数根据步骤S1的力学性能计算得到。
本发明一些实施例公开了热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，步骤S3中热冲压工艺参数包括冲压温度、冲压压力、冲压时间、脱模温度。
本发明一些实施例公开了热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，步骤S3中冲压成型的冲压压力设置在5～10Mpa之间，冲压温度设置在150～180℃之间，冲压时间设置在1～2分钟之间，脱模温度设置在120～150℃之间。
本发明一些实施例公开了热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，还包括制备具有拓扑互锁结构的夹层板的步骤。
本发明公开一些实施例提供的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，制备具有拓扑互锁结构的夹层板具体包括步骤：
SA、处理金属板表面，使金属板表面具有阵列凹陷结构，得到凹陷阵列结构金属板；
SB、用薄层碳纤维增强热塑性树脂材料，得到热塑性复合材料；
SC、将热塑性复合材料与凹陷阵列结构金属板设置在一起，得到热塑性复合材料金属夹层板；
SD、将热塑性复合材料金属夹层板预热，使热塑性复合材料与金属板接触面之间形成拓扑互锁结构，得到具有拓扑互锁结构的夹层板。
本发明公开一些实施例提供的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，步骤SB中用薄层碳纤维编织增强热塑性树脂，得到热塑性复合材料，其中热塑性树脂包括PA6、PA66、PPS或PEEK，薄层碳纤维体积分数为60～40％，热塑性复合材料厚度为0.2～1mm。
本发明公开一些实施例提供的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，步骤SA中金属板的厚度设置为1～2mm。
本发明公开一些实施例提供的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，步骤SD中将热塑性复合材料金属夹层板预热的温度设置在230～260℃之间，预热保温时间设置在1～2分钟之间。
本发明公开一些实施例还提供了一种热塑性复合材料金属夹层板制品，由本发明公开实施例提供的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法制造得到。
本发明公开的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，能够将热塑性纤维增强复合材料与金属板材一体快速冲压成型，充分发挥热塑性纤维增强复合材料的密度小、强度高、耐腐蚀性好、成型周期短的优点，金属高弹性模量、成本低、易变形的优点；利用碳纤维复合材料对金属的增强作用，提高金属薄板的力学性能，在有效减轻制品重量的同时获得高力学性能；同时利用金属板材的低成本、易冲压的优点，弥补碳纤维复合材料可变形性较低，对曲面结构适应性低、成本高的不足；夹层板的拓扑互锁阵列结构，保证了冲压过程中界面的完好粘接和结合性能；夹层板快速冲压过程采用人工神经网络系统控制，实现冲压工艺在线智能优化，为热塑性复合材料金属夹层板制品在新能源汽车、轨道交通、航空航天等领域的部件智能化、轻量化、高性能、高效率、低成本、短流程的制造方面奠定了良好技术基础。
附图说明
图1智能制造方法流程图
图2实施例1金属板表面凹陷结构示意图
图3图2中A-A剖面正视图
图4实施例2金属板两侧表面凹陷结构示意图
图5实施例3金属板表面不同凹陷结构示意图
图6实施例4金属板与热塑性复合材料双层板形成的拓扑互锁结构示意图
图7实施例5热塑性复合材料/金属/热塑性复合材料夹层板的拓扑互锁结构示意图
图8实施例6热塑性复合材料金属夹层板制品剖面结构示意图
图9实施例7热塑性复合材料金属夹层板制品剖面结构示意图
附图标记
1、金属 11、凹陷结构
12、三角形凹陷结构 13、半圆形凹陷结构
2、热塑性复合材料
具体实施方式
在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本法实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明公开的内容。
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。作为本发明中的其它未特别注明的原材料、试剂、试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常使用的原材料和试剂，以及通常采用的实验方法和技术手段。本发明公开述及的凹陷，通常是指设置在材料本体表面、向本体内部延伸、其表面低于材料本体表面、能够容纳其他材料的结构，本发明公开述及的金属，通常在制备方法中以板材的形状出现，作为夹层板的金属材料。除非有明确说明，或与本发明公开的智能制造方法有完全不同的发明构思，本发明公开述及的步骤之间的先后顺序并不严格限定，本发明公开述及的本构应力包括但不限于宏观应力、宏观平均应力、微观应力，通常满足固体力学中应力应变关系。
本公开所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。浓度、量和其它数值数据在本文中可以以范围格式表示或呈现。这样的范围格式仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1％至5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％-3％、2％-4％和3％-5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。
在本公开，包括权利要求书中，所有连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由...构成”和“基本由...构成”应该是封闭或半封闭连接词。
为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明公开一些实施例提供的热塑性复合材料金属板夹层板制品的智能制造方法，包括制备具有拓扑互锁结构的夹层板的步骤。
具体地，作为一些实施方式，制备具有拓扑互锁结构的夹层板包括步骤：
SA、处理金属板表面，使金属板表面具有阵列凹陷结构，得到阵列结构金属板；
SB、用薄层碳纤维增强热塑性树脂材料，得到热塑性复合材料；
SC、将热塑性复合材料与凹陷阵列结构金属板设置在一起，得到热塑性复合材料金属夹层板；
SD、将热塑性复合材料金属夹层板预热，使热塑性复合材料与金属板接触面之间形成拓扑互锁结构，得到具有拓扑互锁结构的夹层板。
步骤SA中，金属板表面通常设置的凹陷结构为多个凹陷，凹陷结构设置在金属板的整个表面，作为较为优选的实施方案，凹陷通常保持形状一致，形成规则排列的凹陷阵列，或者阵列凹陷，均匀设置在金属板的表面，在金属板表面形成均匀布置的凹陷阵列结构；凹陷的深度可以任意设置，通常小于金属板材的厚度，凹陷的形状可以任意设置，通常为敞口式凹陷，便于热塑性复合材料嵌入凹陷结构，紧密接触，形成拓扑互锁结构；作为可选实施方案，凹陷结构可以设置在金属板材的两个表面。作为可选实施方案，金属板通常可以选择铝合金或其他容易进行热塑性模压加工成型的金属材料。作为可选实施方式，金属板的厚度通常设置为1～2mm。作为可选实施方式，金属表面可以选择采取去除氧化膜、刻蚀点阵处理工艺，得到凹陷阵列结构。
步骤SB中，用薄层碳纤维增强热塑性树脂材料，得到热塑性复合材料。作为可选实施方式，通常采用宽展薄层碳纤维编织热塑性树脂材料，以增强其物理性能和可加工性能。作为一些可选实施方式，热塑性复合材料选择热塑性碳纤维宽展薄层编织体增强PA6、PA66、PPS或PEEK，得到热塑性复合材料。作为可选实施方案，热塑性复合材料中的碳纤维体积分数为60～40％，热塑性复合材料片材的厚度为0.2～1mm。碳纤维体积分数是指碳纤维体积与热塑性复合材料的总体积之比。作为可选实施方式，通常可以不设置包括制备热塑性复合材料的步骤SB，例如，可以利用现有的热塑性复合材料直接进行热塑性复合材料金属夹层板的制备步骤SC。
步骤SC中，可以将热塑性复合材料设置在阵列结构金属板上、下两表面，得到热塑性复合材料/金属/热塑性复合材料夹层板。作为一些可选实施方式，还可以设置为热塑性复合材料/金属板双层复合板的形式，也可以设置为金属/热塑性复合材料/金属夹层板的形式。
步骤SD中，将夹层板预热，使金属与热塑性复合材料合并，在二者的接触表面上得到金属板材凹陷阵列结构与热塑性复合材料相互嵌入而形成的拓扑互锁结构，金属与热塑性复合材料紧密结合。将夹层板在预热温度下预热时，热塑性复合材料会发生形变，部分热塑性复合材料会进入金属板表面的凹陷结构中，形成两种材料相互嵌入、交错设置又保持本体材料呈连续状态的结合结构，即为本发明公开述及的拓扑互锁结构。作为一些可选实施方式，通常可将形成拓扑互锁结构的热塑性复合材料与金属板预热，预热的温度设置为240～260℃，预热保温时间设置为1～2分钟。作为可选实施方式，金属板与热塑性复合材料都设置为平板型，或者整体近似于平板的形状，或者金属板与热塑性复合材料的表面呈曲面弧度保持一致的曲面。
作为一些可选实施方式，本发明实施例公开的智能制造方法工艺控制过程中，根据夹层板制品的三维数模，划分网格，根据热塑性复合材料和金属材料的性能参数，计算热塑性复合材料金属夹层板的力学性能；具体为，输入待冲压产品的三维数模，划分网格，输入碳纤维复合材料和金属板材的性能参数，按两项混合律计算碳纤维复合材料金属夹层板的力学性能。作为可选实施方式，三维数模包括产品的形状参数、结构参数、尺寸参数等。作为可选实施方式，弹性纤维复合材料和金属板材的性能参数包括两种材料在三维方向的剪切模量和拉伸模量。作为可选实施方式，根据halpin-tsai模型，以复合材料细观力学为理论基础，计算夹层板的力学性能及物理性能。作为可选实施方式，夹层板的力学性能包括夹层板的本构应力。作为较为优选实施方式，夹层板的力学性能包括夹层板的宏观平均应力。
作为一些可选实施方式，本发明公开智能制造方法工艺控制过程中，预设热冲压工艺参数，根据预成型夹层板制品的缺陷进行人工神经网络计算、诊断、优化，得到优化热冲压工艺参数。作为可选实施方式，热冲压工艺参数包括加热温度、冲压压力、保压时间、脱模温度。作为可选实施方式，基于复合材料平均应力场理论，计算夹层板的本构应力-应变计算模型中的应力集中系数和根据本构应力-应变计算结果，基于压力加工力学原理计算热冲压变形所需的压力作为热冲压压力条件；根据应变计算结果，计算夹层板允许最大变形量，计算热冲压变形速度，进一步计算得到冲压时间，作为热冲压时间条件；根据上下表面热塑性复合材料树脂基体的流变性，根据高分子材料流变学理论，输入高分子软化温度及其高弹态变形量，基于复合材料宏观应力场理论计算其与金属板材同步变形的温度条件，作为夹层板热冲压的温度条件。
本发明一些实施方式采用的halpin-tsai模型表达式为公式(1)和公式(2)：
P代表夹层板的拉伸模量，Pm代表金属板的拉伸模量，Pf代表热塑性复合材料的拉伸模量，η为界面强度因子；G代表夹层板的剪切模量，Gm代表金属板的剪切模量，Gf代表热塑性复合材料的剪切模量，halpin-tsai模型在预测低纤维含量的复合材料参数时相对比较准确；对于高纤维含量的复合材料参数的估值偏低，可以采用ζ的修正公式，即下面公式(3)计算：
其中，为材料常数；
公式(1)中参数具体选择下表1中所列的参数。
表1 halpin-tsai模型中的参数值
表1中，1方向表示与限位轴向平行的方向，2方向表示与纤维轴垂直的方向，12面表示夹层板和\或复合板的长宽平面，23面则表示与夹层板和\或复合板的长宽平面垂直的截面。
根据公式(1)和公式(2)，可以得到应力集中系数和进一步依据以下公式(4)，得到和
其中，为夹层板的柔度矩阵，为初始柔度矩阵，Cr为材料系数，为终止柔度矩阵，为夹层板的刚度矩阵，为初始刚度矩阵，为终止刚度矩阵，和为集中系数。
进一步，依据以下公式(5)计算夹层板宏观平均应力：
其中，为夹层板的宏观平均应力，为夹层板的宏观平均应变，为转换矩阵，为夹层板的应力张量。
作为一些可选实施方式，本发明公开智能制造方法工艺控制过程中，依照优化热冲压工艺参数，将夹层板冲压成型，得到夹层板制品。作为可选实施方式，通常采用在一定温度下模压的方式，将合并在一起并形成拓扑互锁结构的热塑性复合材料金属夹层板进一步成型，得到夹层板制品。通过模压法智能制备的夹层板制品，其形状和规格尺寸由模具的三维模数确定，通常模数参数包括形状、三维尺寸等等。通常通过控制冲压压力、冲压时间和冲压温度，在选定的模具中进行模压。作为可选实施方式，通常冲压压力设置为5～10Mpa，冲压温度设置为150～180℃，冲压时间设置为1～2分钟。
另一方面，本发明实施例还公开了一种热塑性复合材料金属夹层板制品，由本发明公开的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法制造得到。例如，选择不同形状的热冲压模具，将热塑性复合材料金属夹层板进行冲压加工，可得到不同形状、不同规格的热塑性复合材料金属夹层板制品。
图1是热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法流程图。通常智能制造方法可以分为两部分，例如，由步骤SA、SB、SC、SD组成的制备具有拓扑互锁结构的夹层板过程部分，图1中上部虚线框所示，和由步骤S1、S2、S3组成的智能控制过程部分，图1中下部虚线框所示。作为可选实施方式，可以设定先进行制备具有拓扑互锁结构的夹层板的过程，然后进行智能控制过程。作为可选实施方式，通常智能控制过程根据设定的控制程序进行，以便在优化的工艺条件下制备夹层板制品，例如，先根据夹层板制品三维数模和热塑性复合材料、金属材料性能参数，计算夹层板力学性能，然后以力学性能为基础，得到预设的热冲压工艺参数，计算、诊断并优化，得到优化的热冲压工艺参数，进而在优化的热冲压工艺参数条件下模压得到夹层板制品。
图2是本发明公开实施例1中金属板表面凹陷结构示意图，图2中金属板1为平板型，其表面设置有多个凹陷结构11，凹陷在水平方向等间距设置，且在垂直方向也等间距设置，形成规则排列的凹陷结构阵列，图2中A-A剖面正视图见图3所示，可以看出，凹陷11设置在金属板本体1中，其表面低于金属板本体表面，多个凹陷结构等间距排列；作为一种可选实施方式，金属板表面的凹陷结构可以设置在金属板的两个表面，如图4实施例2金属板两侧表面凹陷结构示意图，金属板1两侧表面都设置有凹陷结构11形成的凹陷阵列，金属板两侧表面都设置有凹陷结构的实施例中，两侧的凹陷结构可以上下对应设置，也可以交错设置，凹陷结构的尺寸和形状可以相同设置，也可以设置为不相同。图5为实施例3金属表面不同凹陷结构示意图，图5中上图的凹陷结构13的纵向截面形状为三角形，下图的凹陷结构13的纵向截面形状为半圆形。
图6为实施例4金属板与热塑性复合材料双层板形成的拓扑互锁结构示意图，图6中金属板1的表面上设置有凹陷11形成的凹陷阵列，热塑性复合材料2的表面部分发生形变进入凹陷阵列中，形成金属板与热塑性复合材料接触面相互交错，同时金属板与热塑性复合材料本体材料又保持连续的状态，形成表面互相接触的拓扑互锁结构。
图7为实施例5热塑性复合材料/金属/热塑性复合材料夹层板形成的拓扑互锁结构示意图，图中热塑性复合材料2分别设置在金属板1的上、下表面，金属板1的上、下表面都设置有凹陷11形成的凹陷阵列结构，经过热冲压工艺得到在金属/热塑性复合材料的接触表面上形成拓扑互锁结构的夹层板。
作为本发明公开的实施例6公开的热塑性复合材料金属夹层板制品，其剖面结构如图8所示，该制品由夹层复合材料压制而成，该夹层复合材料的中间为金属板1，金属板两侧设置为热塑性复合材料2，由本发明公开的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法制备得到。作为一种实施方式，还可以制造实施例7公开的热塑性复合材料金属夹层板制品，如图9所示，热冲压过程为，利用柔性加热系统将本发明公开制造方法得到的板材加热到不同温度，进行冲压拉深。在拉深变形过程中，下模模芯在压力的作用下不断向下移动，直至样品达到设计尺寸。
本发明公开的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，能够将热塑性纤维增强复合材料与金属板材一体快速冲压成型，充分发挥热塑性纤维增强复合材料的密度小、强度高、耐腐蚀性好、成型周期短的优点，金属高弹性模量、成本低、易变形的优点；利用碳纤维复合材料对金属的增强作用，提高金属薄板的力学性能，在有效减轻制品重量的同时获得高力学性能；同时利用金属板材的低成本、易冲压的优点，弥补碳纤维复合材料可变形性较低，对曲面结构适应性低、成本高的不足；夹层板的拓扑互锁阵列界面复合工艺，保证了冲压过程中界面的完好粘接和界面结合性能；夹层板快速冲压过程采用人工神经网络系统控制，实现冲压工艺在线智能优化，为热塑性复合材料金属夹层板制品在新能源汽车、轨道交通、航空航天等领域的部件智能化、轻量化、高性能、高效率、低成本、短流程的制造方面奠定了良好技术基础。
本发明公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的构思，并不构成对本发明的限定，凡是对本发明公开的技术细节所做的没有创造性的改变，对本发明公开技术方案的组合使用，都与本发明具有相同的发明构思，都在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，该智能制造方法包括步骤：
S1、根据夹层板制品的三维数模，划分网格，根据热塑性复合材料和金属板的性能参数，计算热塑性复合材料金属夹层板的力学性能；
S2、预设热冲压工艺参数，根据预成型夹层板制品的缺陷进行人工神经网络计算、诊断、优化，得到优化热冲压工艺参数；
S3、依照优化热冲压工艺参数，将夹层板冲压成型，得到夹层板制品。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，步骤S1中所述力学性能包括夹层板的宏观平均应力，所述宏观平均应力的计算公式为：
其中，和由以下公式计算：
其中：为夹层板的宏观平均应力，为夹层板的宏观平均应变，为夹层板的柔度矩阵，为夹层板的应力张量，Sijmnmn为转换矩阵，为夹层板的刚度矩阵，为初始柔度矩阵，为终止柔度矩阵，为终止刚度矩阵，为初始刚度矩阵，Cr为材料系数，和为集中系数，所述集中系数的矩阵由夹层板的拉伸模量P和剪切模量G构成，其中，拉伸模量P和剪切模量G分别由如下公式计算得到：
P代表夹层板的拉伸模量，Pm代表金属板的拉伸模量，Pf代表热塑性复合材料的拉伸模量，η为界面强度因子，G代表夹层板的剪切模量，Gm代表金属板的剪切模量，Gf代表热塑性复合材料的剪切模量，ζ为校正系数。
3.根据权利要求1所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，步骤S2中所述预设热冲压工艺参数根据步骤S1所述的力学性能计算得到。
4.根据权利要求1所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，步骤S3中所述的工艺参数包括冲压温度、冲压压力、冲压时间、脱模温度。
5.根据权利要求4所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，所述冲压压力设置在5～10Mpa之间，冲压温度设置在150～180℃之间，冲压时间设置在1～2分钟之间，脱模温度设置在120～150℃之间。
6.根据权利要求1所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，该智能制造方法还包括制备具有拓扑互锁结构的夹层板的步骤。
7.根据权利要求6所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，所述制备具有拓扑互锁结构的夹层板具体包括步骤：
SA、处理金属板表面，使金属板表面具有阵列凹陷结构，得到凹陷阵列结构金属板；
SB、用薄层碳纤维增强热塑性树脂，得到热塑性复合材料；
SC、将热塑性复合材料与凹陷阵列结构金属板设置在一起，得到热塑性复合材料金属夹层板；
SD、将热塑性复合材料金属夹层板预热，使热塑性复合材料与金属板接触面之间形成拓扑互锁结构，得到具有拓扑互锁结构的夹层板。
8.根据权利要求7所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，步骤SB中用薄层碳纤维编织增强热塑性树脂，得到热塑性复合材料，其中所述热塑性树脂包括PA6、PA66、PPS或PEEK，所述薄层碳纤维的体积分数为60～40％，所述热塑性复合材料的厚度为0.2～1mm。
9.根据权利要求7所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法，其特征在于，其特征在于，步骤SD中将热塑性复合材料金属夹层板预热的温度设置在230～260℃之间，预热保温时间设置在1～2分钟之间。
10.一种热塑性复合材料金属夹层板制品，由权利要求1-9任一项所述的热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法得到。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810418271.7A CN108724817B (zh) | 2018-05-04 | 2018-05-04 | 一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810418271.7A CN108724817B (zh) | 2018-05-04 | 2018-05-04 | 一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108724817A true CN108724817A (zh) | 2018-11-02 |
| CN108724817B CN108724817B (zh) | 2020-03-17 |
Family
ID=63937022
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810418271.7A Active CN108724817B (zh) | 2018-05-04 | 2018-05-04 | 一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108724817B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110143034A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-08-20 | 武汉理工大学 | 一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法 |
| CN114311826A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-04-12 | 河北工业大学 | 基于数字孪生技术的纤维金属层板液压成形系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184298A (zh) * | 2011-05-18 | 2011-09-14 | 山东大学 | 金属体积塑性成形中有限元分析刚度矩阵存储与生成方法 |
| CN104707888A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-06-17 | 中航复合材料有限责任公司 | 一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法 |
| CN105729719A (zh) * | 2016-02-17 | 2016-07-06 | 北京航空航天大学 | 一种基于微机械锁合界面的金属-塑料混合薄壁结构 |
| CN106944521A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-07-14 | 宁波市鄞州敏达机械有限公司 | 一种金属薄板复杂端面冲压成形方法 |
| CN107363142A (zh) * | 2016-05-13 | 2017-11-21 | 株式会社日立制作所 | 复合金属板的热冲压成型控制方法 |
| CN107628232A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-26 | 精功（绍兴）复合材料技术研发有限公司 | 一种复合材料无人机尾翼及其制造方法 |
-
2018
- 2018-05-04 CN CN201810418271.7A patent/CN108724817B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184298A (zh) * | 2011-05-18 | 2011-09-14 | 山东大学 | 金属体积塑性成形中有限元分析刚度矩阵存储与生成方法 |
| CN104707888A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-06-17 | 中航复合材料有限责任公司 | 一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法 |
| CN105729719A (zh) * | 2016-02-17 | 2016-07-06 | 北京航空航天大学 | 一种基于微机械锁合界面的金属-塑料混合薄壁结构 |
| CN107363142A (zh) * | 2016-05-13 | 2017-11-21 | 株式会社日立制作所 | 复合金属板的热冲压成型控制方法 |
| CN106944521A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-07-14 | 宁波市鄞州敏达机械有限公司 | 一种金属薄板复杂端面冲压成形方法 |
| CN107628232A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-26 | 精功（绍兴）复合材料技术研发有限公司 | 一种复合材料无人机尾翼及其制造方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110143034A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-08-20 | 武汉理工大学 | 一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法 |
| CN114311826A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-04-12 | 河北工业大学 | 基于数字孪生技术的纤维金属层板液压成形系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108724817B (zh) | 2020-03-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110815856A (zh) | 一种工字梁复合材料制件成型用的软模制作方法及其应用 | |
| CN103691793B (zh) | 一种基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法 | |
| CN102717518B (zh) | 碳纤维复合材料一体化制造、试验装置及试验方法 | |
| CN102490372A (zh) | 碳纤维管材的成型方法及其模具 | |
| WO2009142291A1 (ja) | 繊維強化熱可塑性樹脂成形体 | |
| CN108472838B (zh) | 包含不连续增强纤维和作为基质的热塑性树脂的压制成型材料、其成形品及其制造方法 | |
| CN108437490A (zh) | 一种碳纤维复合材料天窗加强板生产方法 | |
| CN105269833A (zh) | 一种热塑性复合材料二次模压成型技术 | |
| CN108724817B (zh) | 一种热塑性复合材料金属夹层板制品的智能制造方法 | |
| CN104399981B (zh) | 一种金属基复合材料的三维打印成形方法 | |
| CN105021434A (zh) | 一种高温复合材料试样制备方法 | |
| CN103465480A (zh) | 一种树脂基复合材料增强肋的成型方法 | |
| CN101961893A (zh) | 一种复合材料模具及其制造方法 | |
| CN113613869B (zh) | 压制成型体的制造方法 | |
| CN107033532A (zh) | 一种掺氮化硼纳米片及氮化铝纳米颗粒的3d打印用改性abs和pp材料及其制备方法 | |
| CN110815853A (zh) | 用于复合材料j形梁成型的气囊模具的成型方法及应用 | |
| CN211114412U (zh) | 一种桁架式工字梁结构及用于制备该工字梁结构的模具 | |
| CN209350913U (zh) | 热塑性自冲裁热压模具 | |
| CN114211774A (zh) | 一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构及制备方法 | |
| CN107011617A (zh) | 一种掺石墨烯、碳纤维和氮化硼纳米片3d打印用改性abs材料及其制备方法 | |
| CN204820473U (zh) | 复合蜂窝夹芯板 | |
| CN204749024U (zh) | 一种用于制备玄武岩纤维板材的模具 | |
| CN110773879A (zh) | 一种金属镂空结构预制空位成形装置及其方法 | |
| CN104858253A (zh) | 一种中频感应加热金属复合材质成型方法 | |
| CN102765197B (zh) | 热塑性树脂基编织复合材料热压成型方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |