本發(fā)明屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種基于有限元的變剛度復(fù)合材料層合板的建模方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合材料憑借其較低的密度、優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的可設(shè)計(jì)性，已成為航空結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板采用纖維沿直線鋪放的方式，一方面剛度均勻分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載效率較低，另一方面限制了復(fù)合材料的靈活設(shè)計(jì)能力。自動(dòng)鋪絲技術(shù)的發(fā)展使纖維方向角可以在層內(nèi)連續(xù)變化，從而在層合板厚度不變的情況下改變剛度分布，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)際承載需求調(diào)整纖維路徑的設(shè)計(jì)過程，極大地提高了材料利用率和結(jié)構(gòu)的承載能力。因此，對(duì)變剛度層合板力學(xué)性能的研究受到了更加廣泛的關(guān)注，但曲線纖維的設(shè)計(jì)思路增加了設(shè)計(jì)變量，為變剛度層合板的建模以及仿真分析過程帶來(lái)了一定的困難。特別是在工程計(jì)算常用的有限元分析中，現(xiàn)有仿真軟件難以實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)變化的曲線纖維方向角的自動(dòng)輸入，導(dǎo)致有限元建模過程操作繁瑣、效率較低。此外，曲線纖維鋪層過程中可能出現(xiàn)的相鄰纖維間的重疊或間隙現(xiàn)象進(jìn)一步增加了建模的難度。更進(jìn)一步地，與簡(jiǎn)單平板結(jié)構(gòu)相比，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見的曲板、含孔結(jié)構(gòu)幾何形狀更加復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)構(gòu)建含曲線纖維的對(duì)應(yīng)有限元模型提出了更高的要求，不僅要考慮纖維方向角的變化、纖維重疊與間隙，還要考慮復(fù)雜幾何形狀下有限元網(wǎng)格的合理劃分過程。這些因素都阻礙了含曲線纖維鋪層的變剛度層合板在飛機(jī)輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于有限元的變剛度復(fù)合材料層合板的建模方法，能夠?qū)崿F(xiàn)變剛度復(fù)合材料層合板的有限元自動(dòng)建模，解決了變角度鋪層需要逐個(gè)輸入、效率較低的問題，并且可以實(shí)現(xiàn)含孔結(jié)構(gòu)與曲板的有限元自動(dòng)建模，同時(shí)將纖維間隙與重疊的影響納入建模考慮，為使用變剛度復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)特性分析奠定了基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于有限元的變剛度復(fù)合材料層合板的建模方法，包括：

4、s1：定義復(fù)合材料層合板模型參數(shù)，包括層合板幾何參數(shù)、復(fù)合材料纖維鋪層參數(shù)與有限元單元尺寸參數(shù)；

5、s2：針對(duì)s1中定義的復(fù)合材料層合板模型，利用編程語(yǔ)言編寫腳本文件，劃分四邊形網(wǎng)格，得到每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)及其在o1xyz直角坐標(biāo)系中的幾何坐標(biāo)，并對(duì)所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與有限元單元進(jìn)行編號(hào)；

6、s3：根據(jù)s2中得到的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算有限元單元中心點(diǎn)的幾何坐標(biāo)；

7、s4：建立平面直角坐標(biāo)系ros，使原點(diǎn)o處的纖維曲線與r軸的夾角為t0，且r軸與x軸夾角為

8、s5：根據(jù)s1中定義的纖維鋪層參數(shù)，在s4建立的平面直角坐標(biāo)系ros中定義纖維參考路徑中心曲線；

9、s6：對(duì)于s3中得到的單元中心點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，逐層、逐纖維計(jì)算每一單元中心點(diǎn)坐標(biāo)下的纖維方向角度，并將其作為對(duì)應(yīng)單元在當(dāng)前鋪層中的纖維方向角度，同時(shí)更新該單元的纖維鋪層數(shù)，從而得到包含纖維鋪層信息的有限元單元；

10、s7：對(duì)s6中生成的有限元單元定義材料屬性，得到包含材料信息的有限元模型；

11、s8：對(duì)s7中生成的有限元模型定義邊界條件與載荷；

12、s9：將s8中得到的有限元模型生成計(jì)算輸入文件，并提交對(duì)應(yīng)有限元軟件進(jìn)行有限元分析，獲得相應(yīng)的力學(xué)性能分析結(jié)果。

13、優(yōu)選地，s1中，層合板幾何參數(shù)包括層合板的長(zhǎng)度、寬度、曲板剖面曲線方程z＝z(x)、圓孔中心在o1xyz直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與圓孔半徑。

14、優(yōu)選地，s1中，復(fù)合材料纖維鋪層參數(shù)包括纖維路徑寬度、纖維路徑平移距離、纖維方向周期變化起始角度t0、纖維方向周期變化終止角度t1、單層纖維厚度、纖維鋪層數(shù)、纖維曲線坐標(biāo)系與層合板幾何坐標(biāo)系的夾角

15、優(yōu)選地，s1中，有限元單元尺寸參數(shù)包括網(wǎng)格尺寸、孔邊界過渡單元層數(shù)。

16、優(yōu)選地，s2中，對(duì)于曲板結(jié)構(gòu)的四邊形網(wǎng)格劃分過程，將其沿法向投影成平面，對(duì)該平面形狀劃分網(wǎng)格后，根據(jù)s1中定義的曲板剖面曲線方程z＝z(x)進(jìn)行坐標(biāo)變換，計(jì)算四邊形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；二維坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的變換過程定義如下：

17、

18、式中，x1，y1表示曲板投影在xy平面的x、y坐標(biāo)，z(x1)表示根據(jù)剖面曲線方程計(jì)算得到的x1對(duì)應(yīng)的z坐標(biāo)。

19、優(yōu)選地，s3中，有限元單元中心點(diǎn)的幾何坐標(biāo)由以下公式計(jì)算：

20、

21、式中，xc、yc、zc分別表示單元中心點(diǎn)在直角坐標(biāo)系o1xyz中的x、y、z坐標(biāo)值，xi、yi、zi(i＝1，2，3，4)分別表示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系o1xyz中的x、y、z坐標(biāo)值。

22、優(yōu)選地，s5中，纖維參考路徑中心曲線的方向角度由以下公式定義：

23、

24、式中，θ表示纖維參考路徑中心曲線的方向角度，r表示直角坐標(biāo)系ros中的r坐標(biāo)值，a表示層合板長(zhǎng)度，t0表示纖維方向周期變化起始角度，t1表示纖維方向周期變化終止角度，m為r/(a/2)向上取整的結(jié)果。

25、優(yōu)選地，s5中，纖維參考路徑中心曲線由以下公式定義：

26、

27、式中，θ表示纖維參考路徑中心曲線的方向角度，r表示直角坐標(biāo)系ros中的r坐標(biāo)值，s表示直角坐標(biāo)系ros中的s坐標(biāo)值，a表示層合板長(zhǎng)度，t0表示纖維方向周期變化起始角度，t1表示纖維方向周期變化終止角度，m為r/(a/2)向上取整的結(jié)果。

28、優(yōu)選地，s6中，每條纖維均由s5中定義的該層纖維參考路徑中心曲線按照s1中定義的纖維路徑平移距離平移一次或多次得到。

29、優(yōu)選地，s6中，每個(gè)單元中心點(diǎn)坐標(biāo)下的纖維方向角度與鋪層數(shù)的計(jì)算過程中，需要對(duì)單元中心點(diǎn)進(jìn)行xo1y與ros間的坐標(biāo)變換。

30、優(yōu)選地，s6中，每個(gè)單元中心點(diǎn)坐標(biāo)下的纖維方向角度與鋪層數(shù)的計(jì)算過程中，對(duì)于纖維間的重疊部分，即多條纖維的共有單元，分別記錄該單元在不同纖維中的纖維方向角度，并且對(duì)鋪層數(shù)累積計(jì)算。

31、優(yōu)選地，s6中，每個(gè)單元中心點(diǎn)坐標(biāo)下的纖維方向角度與鋪層數(shù)的計(jì)算過程中，對(duì)于纖維間的間隙部分，即不屬于該層任一纖維的單元，無(wú)需記錄該單元在本層的纖維方向角度，并且鋪層數(shù)保持不變。

32、優(yōu)選地，s7中，材料屬性包括沿纖維方向的彈性模量e1、垂直于纖維方向的彈性模量e2、泊松比ν12、面內(nèi)剪切模量g12、纖維密度ρ，以及s6所述的纖維方向角度與纖維鋪層數(shù)。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

34、本發(fā)明公開的基于有限元的變剛度復(fù)合材料層合板的建模方法，通過定義復(fù)合材料層合板模型參數(shù)；利用編程語(yǔ)言編寫腳本文件，劃分四邊形網(wǎng)格；計(jì)算單元中心點(diǎn)的幾何坐標(biāo)；逐層、逐纖維計(jì)算每一單元中心點(diǎn)坐標(biāo)下的纖維方向角度，并將其作為對(duì)應(yīng)單元在當(dāng)前鋪層中的纖維方向角度，同時(shí)更新該單元的纖維鋪層數(shù)；定義材料屬性；定義邊界條件與載荷；將該有限元模型生成計(jì)算輸入文件，并提交對(duì)應(yīng)有限元軟件進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)變剛度復(fù)合材料層合板的有限元自動(dòng)建模，解決了變角度鋪層需要逐個(gè)輸入、效率較低的問題。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)含孔結(jié)構(gòu)與曲板的有限元自動(dòng)建模，同時(shí)將纖維間隙與重疊的影響納入建模考慮，為使用變剛度復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)特性分析奠定了基礎(chǔ)。