一种对称层合板的铺层制作方法.docx

一种对称层合板的铺层制作方法专利名称：一种对称层合板的铺层制作方法技术领域：本发明涉及一种复合材料的铺层制作方法，特别涉及一种碳纤维增强聚合物复合材料反射镜的铺层制作方法背景技术：下一代空间望远镜的发展受制于主反射镜口径增大带来的重量的急剧增加目前在研的几种轻质镜面中，碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称 CFRP)复合材料薄镜以其优异的物理和热学性能，低于^(g/m2的面密度，成形方法简易，性能可设计，镜面无需抛光、可复制、可弯折等优点有望成为下一代大口径空间轻质望远镜镜面目前碳纤维增强聚合物反射镜研究的主要问题之一是面形精度低利用现有的主动光学技术对碳纤维增强聚合物反射镜进行主动控制，可以提高反射镜的面形精度CFRP复合材料反射镜的铺层设计一般采用对称层合板的结构，以保证面内刚度的准各向同性；在对层合板铺层顺序的优化时也只考虑以PV值和RMS值表示的重力变形的大小，不考虑弯曲刚度的准均勻性(也称准各向同性)要实现高精度的CFRP复合材料薄镜的主动控制，除了要保证层合板面内刚度的准各向同性外，尽量提高层合板的弯曲刚度准均勻性显得至关重要。

弯曲刚度准均勻性越高，层合板在主动变形控制下的非对称变形越小，可以极大地提高反射镜主动控制后的面形精度提高层合板的弯曲刚度准均勻性是控制镜面面形均勻变化的关键尽管实际结构中由于受到层数的限制，不存在完全的准均勻层合板，但可以通过优化铺层结构尽量提高弯曲刚度的准均勻性为此，在总层数有限的情况下在寻求一种提高弯曲刚度准均勻性的铺层设计及制作方法是实现CFRP复合材料薄镜主动控制的先决条件文献“碳纤维复合材料反射镜面板的铺层设计”(赵洪波，马丽华，姜志，[J]，光学技术，2004，29 (3)，P365-367)，从刚度设计的角度出发，利用有限元法对一个空间光学系统的碳纤维复合材料轻型反射镜面板实例进行了铺层设计，并通过对角度相间步长为15° 的铺层所制作的一些面板进行了静力学分析，得出了在重力作用下，第一定向单层采用，总铺层 W5/-75/-15/30/90/-30/15/75/-45/0/60/-60]s 的反射面板产生的变形最小的结论，进而提出了在使用碳纤维复合材料制作空间光学反射镜时，反射面板铺层设计的一般方法该文献仅对罗列的13种铺层方式进行了有限元的静力学分析，从中找出了重力变形最小的一种铺层作为碳纤维复合材料反射镜面板，其为一种试算法，比较盲目，不适于工业化应用。

第二，实际的按角度相间步长15°、总层数对层的对称铺层方式理论上可以达到无穷多种，对于设定的一组铺层角度，对铺层顺序进行全排列，铺层方式可以有12 ！ = 479001600种，这还不包括定向单层数小于12的其他铺层形式(6 ！ = 720,4 ！ =24,3 ！ =6)因此文献里考虑的铺层形式实在太少，很难找到最佳的结果第三，文献中仅对整个镜面的重力变形用PV值和RMS值进行了分析，没有考虑非对称变形，即没有对弯曲刚度的准均勻性做出分析和判断，对于要进行主动控制的CFRP复合材料反射镜，要提高面形精度，用这种方法存在明显的不足中国发明专利申请“按照刚度要求复合材料的铺层设计计算方法”(CN 1868807A) 中，公开了一种按刚度要求进行复合材料翼面铺层的设计方法，得出了按三向刚度要求的铺层设计方法和具体的公式计算，在已知层合板的三向刚度时，即可得到任意三种铺层角度下的铺层数，从而得到新的适应于工程应用的铺层形式该专利根据结构的刚度要求，用理论推导出刚度要求和任意三种铺层角度的关系，通过解方程组得到符合刚度要求的铺层设计该技术方案重点考虑的是满足一定的刚度需要下的铺层设计，未涉及弯曲刚度的准均勻性，无法满足主动控制CFI^R反射镜的使用要求。

同时，该技术方案对定向单层数有明确规定，只能是三种，铺层形式比较单一；对于主动控制的CFPR反射镜，要达到最佳的弯曲刚度准均勻性，可能需要考虑更多的定向单层数目前，对适用于主动控制的碳纤维增强聚合物复合材料反射镜的铺层设计及制作方法未见报道发明内容本发明的目的是在对称层合板面内刚度准各向同性条件下，提供一种提高弯曲刚度准均勻性的铺层制作方法，以实现高精度的碳纤维增强聚合物复合材料反射镜的主动控制实现本发明目的的技术方案是提供一种对称层合板的铺层制作方法，包括如下步骤(1)建立对称层合板几何模型，根据经典层合板理论，得到准各向同性准均勻条件下正则化面内刚度系数《和弯曲刚度系数的关系式，以及它们与铺层角度、顺序的关系；(2)在指定的定向单层数ρ下，采用正则化刚度系数法，以-巧)的平方和为评价函数，i、j分别为矩阵的行和列，且i，j = 1，2，6，对铺层顺序进行优化调整；(3)根据优化调整后得到的铺层顺序，采用层合板进行铺层制作，得到一种准各向同性准均勻对称层合板所述的-A))的平方和为评价函数对铺层顺序进行优化调整，以g -AD的平方和最小的一组铺层顺序为优化结果本发明所述的对称层合板，其总层数为n，单层组数为m，且为最大值m = n/2，定向单层之间的间隔为η/P弧度，铺层方式采用其中，ρ * q = m，p为对称层合板的定向单层数，且P彡3，q为[θ 乂 θ 2/. . . / θ p]铺层单元重复铺设的次数，θ为定向单层的铺层角度，s为上下对称铺层。

在本发明中，对称层合板的总层数η分别为Μ、30和36，且单层厚度相等时，其对应的铺层顺序为[45/-15/-75/90/15/-45/-30/60/-60/0/30/75]s、 [84/-48/-12/24/48/36/-24/-84/-72/0/-60/60/12/72/-36] s 和[40/0/-50/60/90/-10/-80/-20/-70/-60/50/-40/10/8 0/70/30/-30/20]So本发明技术方案依据的原理具体表述如下1、正则化面内刚度系数和弯曲刚度系数的确定由实验可以得出复合材料单向板的工程弹性常数，SP 纵向拉伸模量E1、横向拉伸权利要求1.一种对称层合板的铺层制作方法，其特征在于，包括如下步骤(1)建立对称层合板几何模型，根据经典层合板理论，得到准各向同性准均勻条件下正则化面内刚度系数《和弯曲刚度系数巧的关系式，以及它们与铺层角度、顺序的关系；(2)在指定的定向单层数ρ下，采用正则化刚度系数法，以-A))的平方和为评价函数，i、j分别为矩阵的行和列，且i，j = 1，2，6，对铺层顺序进行优化调整；(3)根据优化调整后得到的铺层顺序，采用层合板进行铺层制作，得到一种准各向同性准均勻对称层合板。

2.根据权利要求1所述的一种对称层合板的铺层制作方法，其特征在于，评价函数 -A))的平方和最小的一组铺层顺序为优化结果3.根据权利要求1或2所述的一种对称层合板的铺层制作方法，其特征在于，所述的对称层合板的总层数为n，单层组数为m，且为最大值m = n/2，定向单层之间的间隔为π/p 弧度，铺层方式采用其中，ρ * q = m，ρ为对称层合板的定向单层数， 且P彡3，q为[θ / θ 2/. . . / θ p]铺层单元重复铺设的次数，θ为定向单层的铺层角度，s 为上下对称铺层4.根据权利要求1或2所述的一种对称层合板的铺层制作方法，其特征在于所述的对称层合板的总层数η为Μ，且单层厚度相等，其铺层顺序为W5/-15/-75/90/15/-45/-30 /60/-60/0/30/75]S5.根据权利要求1或2所述的一种对称层合板的铺层制作方法，其特征在于所述的对称层合板的总层数η为30，且单层厚度相等，其铺层顺序为[84/-48/-12/24/48/36/-24/ -84/-72/0/-60/60/12/72/-36]S6.根据权利要求1或2所述的一种对称层合板的铺层制作方法，其特征在于所述的对称层合板的总层数η为36，且单层厚度相等，其铺层顺序为[40/0/-50/60/90/-10/-80/-20/-70/-60/50/-40/10/80/70/30/-30/20]s。

全文摘要本发明涉及一种对称层合板的铺层制作方法根据对称层合板几何模型，在准各向同性准均匀条件下，建立正则化面内刚度系数和弯曲刚度系数的关系式，在指定的定向单层数p下，采用正则化刚度系数法，以的平方和为评价函数，对铺层顺序进行优化调整，得到一种准各向同性准均匀对称层合板本发明采用基于理论公式的正则化刚度系数法对铺层顺序进行设计和优化，经计算直接得到某一定向单层数下的最佳铺层顺序，由此获得的对称层合板不仅面内刚度准各向同性，其弯曲刚度的准均匀性在指定定向单层数下达到最优用这种铺层顺序加工而成的碳纤维增强聚合物复合材料反射镜在主动变形下有更小的非对称变形，从而提高反射镜在主动控制后的面形精度。