一种金属橡胶优化设计与性能预报方法技术

一种金属橡胶优化设计与性能预报方法，它首先根据金属橡胶毛坯铺设轨迹的规划结果建立毛坯几何模型；然后利用无网格数值分析方法处理全部线匝离散单元的变形问题，再根据金属橡胶毛坯在冲压模具中的边界约束及内部接触线匝之间的约束条件建立动态数值计算模型，并通过该模型的输出重构冲压成型后金属橡胶制品的组织结构；之后对金属橡胶制品的组织结构进行简化，提取出唯象分析模型；最后从建立的动态数值计算模型、唯象分析模型出发，实现金属橡胶的优化设计和性能预报。本发明专利技术突破了具有普适性的金属橡胶复杂空间网状结构特征提取与力学分析模型建立的技术瓶颈，解决了基于数值模拟技术的金属橡胶优化设计和性能预报的难题。

A method for optimum design and performance prediction of metal rubber

A metal rubber optimization design and performance prediction method, according to its first metal rubber blank laying path planning results to build rough geometry model; then the deformation processing all turn discrete element numerical analysis method of grid, and then according to the constraint conditions between the metal rubber blank in stamping dies of the boundary and internal contact line turn the establishment of dynamic numerical model and organization structure through the output of the model after reconstruction of stamping forming of metal rubber products; after the structure of metal rubber is simplified, extract the phenomenological analysis model; calculation model, phenomenological analysis model from the dynamic equations, optimization design and performance prediction of metal rubber. The invention breaks through the universal metal rubber complex extraction and mechanical characteristics of the space network structure model is established to analyze the technical bottlenecks, solve the problem of metal rubber optimization design and performance prediction based on numerical simulation technology.

【技术实现步骤摘要】
一种金属橡胶优化设计与性能预报方法
本专利技术涉及一种基于数值模拟技术的金属橡胶优化设计和性能预报方法，属于金属加工

技术介绍
金属橡胶（MatalRubber/WireMesh）是近年来科学家在克服普通橡胶缺点的探索过程中专利技术的一种新型高弹性、大阻尼材料。它采用金属丝做为原材料，经过金属丝螺旋成型、螺旋卷定螺距拉伸、毛坯缠绕、冷冲压成型、热处理退火等工艺制造，内部互相接触勾连的螺旋卷线匝形成类似于橡胶高分子的空间网状结构，具有耐高/低温、酸腐蚀、油污染、强辐射等优异的物理机械性能，是空间站、运载火箭、高轨道卫星、航空发动机、大型水面战舰、常规/核潜艇、重型鱼雷等国防高
急需的关键材料。金属橡胶毛坯内部螺旋线匝相互勾连形成复杂的非连续的组织结构，并且在冲压成型过程中会产生非线性变形，给金属橡胶内部线匝相互接触勾连形成的空间网状结构特征的准确刻画，以及这种结构特征与制备工艺参数之间关系的力学分析模型的建立带来很大困难。基于上述原因，到目前为止人们仍然没有找到一种可行的金属橡胶优化设计方法，也无法对金属橡胶的性能进行准确预报。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种金属橡胶优化设计与性能预报方法，彻底解决金属橡胶优化设计和性能预报的难题。本专利技术所述问题是以下述技术方案实现的：一种金属橡胶优化设计与性能预报方法，所述方法首先根据金属橡胶毛坯铺设轨迹的规划结果建立毛坯几何模型；然后利用无网格数值分析方法处理全部线匝离散单元的变形问题，再根据金属橡胶毛坯在冲压模具中的边界约束及内部接触线匝之间的约束条件建立动态数值计算模型，并通过该模型的输出重构冲压成型后金属橡胶制品的组织结构；之后对金属橡胶制品的组织结构进行简化，提取出唯象分析模型；最后从建立的动态数值计算模型、唯象分析模型出发，实现金属橡胶的优化设计和性能预报。上述金属橡胶优化设计与性能预报方法，所述方法包括以下步骤：a、金属橡胶毛坯铺设轨迹规划对金属橡胶毛坯的每一层螺旋卷及铺设面设置相同的背景网格，背景网格由众多小正方形组成，其内外边界与实际铺设区域的边界一致；将螺旋卷简化成宽度等于螺旋卷直径的线，将每层螺旋卷在对应的背景网格上投影，一个小网格被投影覆盖的面积与小网格的总面积比记为q，将q作为该网格的权值；定义如下三个目标函数：①铺设面背景网格权值为零的网格数量；②铺设面背景网格中所有网格权值的方差；③所有单层背景网格的网格权值的方差；第一层的铺设路径由人为指定，铺设k层螺旋卷（k=1，2，3……）后，利用启发式算法（如遗传算法）对第k+1层的条路径进行计算，使前k+1层对应的三个目标函数值最小，得到第k+1层的铺设路径，最后由所有层的铺设路径得到螺旋卷中心线线架模型；b.金属橡胶毛坯几何模型的建立在螺旋卷中心线线架模型的基础上，以中心线线架上的点为原点，点为中心线线架上的任意一点，以点处中心线线架的切线为轴建立局部坐标系（），与轴的距离等于螺旋卷半径的动点M在绕轴旋转的同时沿轴正向运动，其旋转的角度每增加，就在轴上移动一个螺旋卷螺距，按照设定的步长沿螺旋卷中心线线架移动，则动点M的轨迹形成金属橡胶毛坯的几何模型；所述步长应根据螺旋卷中心线线架模型的形状来确定，对于曲率半径较大的部分，步长可取大一些，对于曲率半径较小的部分，步长应取小一些，步长越小，所建立的金属橡胶毛坯几何模型精度越高；c.金属橡胶非连续、变形（本专利技术中的非连续是指金属橡胶毛坯内部螺旋卷线匝相互勾连形成非连续的组织结构；变形是指金属橡胶毛坯在冲压成型过程中会产生非线性的变形）空间网状结构无网格数值分析及动态数值计算模型建立①对金属橡胶毛坯几何模型中的螺旋卷线匝进行无网格离散；②金属橡胶毛坯与模具接触约束的判断处理采用与模具形状一致的刚性面，对金属橡胶毛坯表面进行约束，每n个迭代步（n为正整数），对刚性面附近节点扫描一次，计算节点对刚性面的穿透量，设定允许穿透的阈值，当节点穿透量大于时，对节点施加的位移边界条件，始终将节点对刚性面的穿透量控制在阈值之内；③金属橡胶内部线匝接触约束的判断处理假定只在金属丝轴线上设置节点，每m个迭代步（m为正整数），对每个节点与邻域内节点的距离扫描一次，找出发生接触的位置，在每个接触对中，计算两个接触表面的相互穿透距离，设定允许穿透阈值，若大于，则对接触对的每段金属丝施加位移约束，位移约束大小为，方向为背离接触方向，作用点为表面接触点；④动态数值计算模型的建立对接触处的节点施加位移边界条件，对于未发生接触的节点，则施加力边界条件，边界条件满足后，选择适当的步长迭代，建立动态数值计算模型；d.依据动态数值计算模型的输出重构冲压成型后金属橡胶制品的组织结构的几何模型，再对该几何模型进行简化，将线匝接触部位简化为具有接触弹性变形的干摩擦单元，将线匝其他部分简化为非线性弹性单元，建立唯象力学分析模型；e.金属橡胶的优化设计及性能预报①依据动态数值计算模型的数据输出，对金属橡胶内部应力分布、载荷-位移特性进行预报和优化设计根据动态数值计算模型输出的应力云图，求得金属橡胶内部的应力分布情况；设置载荷迭代步长，根据动态数值计算模型输出的位移值，绘制金属橡胶的载荷-位移曲线，即能对金属橡胶的静态载荷-位移特性进行预报；若金属橡胶内部局部应力过大，超过材料屈服极限，或者预报的金属橡胶载荷-位移曲线与预期达到的设计曲线偏差较大时，超过10%，则应调整金属橡胶制备工艺参数，调整金属丝材质、丝径、螺旋卷直径及螺距，对金属橡胶重新进行优化设计，使其满足设计要求；再通过动态数值计算模型输出重构的冲压成型后的组织结构的几何模型，对成型后的密度分布、几何尺寸进行预报；对密度分布的预报方案：将重构的几何模型分割成若干空间微小立方体，通过计算空间微小立方体内包含线匝的体积与微小立方体体积之比，可以对成型后的金属橡胶密度分布情况进行预测，从而了解成型后金属橡胶组织结构是否均匀；对几何尺寸的预报方案：通过去除冲压成型后动态数值计算模型的模具约束边界条件，对动态数值计算模型的回弹量进行计算，即可实现对成型后的金属橡胶几何尺寸进行预测，判断其是否满足设计要求；②依据唯象力学分析模型，对金属橡胶动态力学性能在不同频率、不同幅值加载条件下的弹性变形和阻尼耗能特性进行预报根据所建立的唯象力学分析模型，绘制不同频率、不同幅值简谐位移激励或力激励下的金属橡胶动态载荷-位移迟滞回线，根据迟滞回线对金属橡胶的动态刚度及阻尼耗能特性进行预测，判断其是否满足设计要求。本专利技术在建立毛坯几何模型、动态数值计算模型、唯象分析模型的基础上对金属橡胶进行优化设计及性能预报，由于唯象分析模型直接来源于几何模型和动态数值计算模型的输出结果，因此能够全面准确地反映金属橡胶制备工艺参数（金属丝直径、螺旋卷直径、毛坯缠绕或铺设方式、冲压成型压力及过程）对空间网状结构特征（线匝空间取向、接触角度、勾连滑移模式、孔隙结构）的决定性影响作用机理，为实现金属橡胶的优化设计和性能预报创造了有利条件。本专利技术采用数值计算与实验研究相结合的技术手段，突破了具有普适性的金属橡胶空间网状结构特征提取与力学分析模型建立的技术瓶颈，解决了基于数值模拟技术的金属橡胶优化设计和性能预报的难题。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属橡胶优化设计与性能预报方法，其特征是，从金属橡胶毛坯各种铺设或缠绕入手，首先建立一个能够全面反映毛坯制备工艺参数影响作用的毛坯几何模型，所述工艺参数为金属丝直径、螺旋卷直径、毛坯缠绕或铺设方式；其次，从毛坯几何模型出发，引入无网格数值分析方法处理全部线匝离散单元的变形问题，再通过金属橡胶毛坯在冲压模具中的边界约束及内部接触线匝之间的约束条件建立一个能够反映金属橡胶组织结构随成型过程变化的动态数值计算模型；然后，通过动态数值计算模型的输出重构冲压成型后金属橡胶制品的组织结构，再对金属橡胶制品的组织结构进行简化提取出便于进行力学性能分析的唯象力学分析模型；所述唯象力学分析模型给出金属橡胶制备工艺参数、即金属丝直径、螺旋卷直径、毛坯缠绕或铺设方式、冲压成型压力及过程对空间网状结构特征的影响，所述空间网状结构特征为线匝空间取向、接触角度、勾连滑移模式、孔隙结构；最后，依据动态数值计算模型的数据输出，对金属橡胶内部应力分布、载荷‑位移特性进行预报和优化设计；再通过动态数值计算模型输出重构的冲压成型后的组织结构的毛坯几何模型，可对成型后的密度分布、几何尺寸进行预报；依据唯象力学分析模型，对金属橡胶动态力学性能、即不同频率、不同幅值加载条件下的弹性变形和阻尼耗能特性进行预报。...

【技术特征摘要】
1.一种金属橡胶优化设计与性能预报方法，其特征是，从金属橡胶毛坯各种铺设或缠绕入手，首先建立一个能够全面反映毛坯制备工艺参数影响作用的毛坯几何模型，所述工艺参数为金属丝直径、螺旋卷直径、毛坯缠绕或铺设方式；其次，从毛坯几何模型出发，引入无网格数值分析方法处理全部线匝离散单元的变形问题，再通过金属橡胶毛坯在冲压模具中的边界约束及内部接触线匝之间的约束条件建立一个能够反映金属橡胶组织结构随成型过程变化的动态数值计算模型；然后，通过动态数值计算模型的输出重构冲压成型后金属橡胶制品的组织结构，再对金属橡胶制品的组织结构进行简化提取出便于进行力学性能分析的唯象力学分析模型；所述唯象力学分析模型给出金属橡胶制备工艺参数、即金属丝直径、螺旋卷直径、毛坯缠绕或铺设方式、冲压成型压力及过程对空间网状结构特征的影响，所述空间网状结构特征为线匝空间取向、接触角度、勾连滑移模式、孔隙结构；最后，依据动态数值计算模型的数据输出，对金属橡胶内部应力分布、载荷-位移特性进行预报和优化设计；再通过动态数值计算模型输出重构的冲压成型后的组织结构的毛坯几何模型，可对成型后的密度分布、几何尺寸进行预报；依据唯象力学分析模型，对金属橡胶动态力学性能、即不同频率、不同幅值加载条件下的弹性变形和阻尼耗能特性进行预报。2.根据权利要求1所述的一种金属橡胶优化设计与性能预报方法，其特征是，所述方法按以下步骤进行：a、金属橡胶毛坯铺设轨迹规划对金属橡胶毛坯的每一层螺旋卷及铺设面设置相同的背景网格，背景网格由众多小正方形组成，其内外边界与实际铺设区域的边界一致；将螺旋卷简化成宽度等于螺旋卷直径的线，将每层螺旋卷在对应的背景网格上投影，一个小网格被投影覆盖的面积与小网格的总面积比记为q，将q作为该小网格的权值；定义如下三个目标函数：①铺设面背景网格权值为零的网格数量；②铺设面背景网格中所有网格权值的方差；③所有单层背景网格的网格权值的方差；第一层的铺设路径由人为指定，铺设k层螺旋卷后，k＝1，2，3……，利用启发式算法中的遗传算法，对第k+1层的nk+1条路径进行计算，使前k+1层对应的三个目标函数值最小，得到第k+1层的铺设路径，最后由所有层的铺设路径得到螺旋卷中心线线架模型；b.金属橡胶毛坯几何模型的建立在螺旋卷中心线线架模型的基础上，以螺旋卷中心线线架上的P′点为原点，以P′点处螺旋卷中心线线架的切线为Z′轴建立局部(X′,Y′,Z′)坐标系，与Z′轴的距离等于螺旋卷半径的动点M在绕Z′轴旋转的同时沿Z′轴正向运动，其旋转的角度每增加2π，就在Z′轴上移动一个螺旋卷螺距h，按照设定的...

【专利技术属性】
技术研发人员：白鸿柏，路纯红，李冬伟，曹凤利，
申请(专利权)人：中国人民解放军军械工程学院，
类型：发明
国别省市：河北,13