一种变刚度复合材料的建模方法技术

本发明专利技术涉及一种变刚度复合材料的建模方法，包括以下步骤：S1、先对常刚度复合材料的结构模型进行优化设计；S2、对步骤S1中的模型进行截面简化；S3、根据步骤S2中的简化模型进行蒙皮铺层建模；S4、对变刚度复合材料结构模型建立整体有限元分析模型。该方法解决了将变刚度复合材料应用到机翼等复杂或不规则结构中的难题，具有广泛的推广意义。

A modeling method for composite materials with variable stiffness

The invention relates to a method of modeling a variable stiffness composite material, which includes the following steps: S1, the structure model of the constant stiffness composite is optimized first; S2, the model in step S1 is simplified; S3, the model of the skin layer based on the simplified model in step S2; S4, the structure of the variable stiffness composite material The model is established by the model. This method solves the problem of applying variable stiffness composite materials to complex or irregular structures, such as wings, and has wide application significance.

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度复合材料的建模方法
本专利技术属于复合材料的有限元分析
，尤其涉及一种变刚度复合材料的建模方法。
技术介绍
由于对轻质结构的需求，飞行器、汽车等结构设计的研究和发展一直与采用性能优越的新材料密切相关。先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，将其用于飞行器等结构上，可明显减轻结构重量、改善气动弹性特性，提高结构性能。先进复合材料在飞行器上应用的部位和用量的多少，现已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。例如，新型客机波音787与空客A350的复合材料用量达到50％以上。复合材料结构设计是复合材料在结构上科学合理应用和降低全寿命周期费用的关键，重点在于充分利用复合材料性能的方向性、结构性能的可设计性和大型构件整体成形的良好工艺性，实现结构、效率、性能、功能与成本的综合优化。带有连续变化角度的纤维铺层的复合材料被称为变刚度复合材料，与传统的复合材料层合板相比，其重量和成本可以减少10％-30％，因为不断变化的纤维取向导致了每层的刚度在不同的空间位置各不相同。工程设计人员可据此调整内部载荷分布，使结构性能得到显著提高。变刚度复合材料是在已有主要材料体系基础上开发的先进复合材料，突破了传统的复合材料铺层设计理念，对制品的适应性更强，可以实现凸面、凹面和双曲率构件等复杂型面结构的铺叠，极大减少连接件的使用，减少结构重量。同时在使用连续变角度纤维铺层时可预留开孔结构，减少后期开孔，既可避免应力集中现象，提高结构性能，降低成本，又可以进行优化设计以及实现设计制造一体化，提高结构设计与生产效率，从而实现降低复合材料构件的全生命周期成本。对于传统复合材料结构设计，一般采用有限元软件(如ABAQUS)中的复合材料模块进行铺层方向、铺层顺序、铺层层数的设计，该种方法中各个铺层中的纤维方向角为常数。然而，由于变刚度复合材料中各个铺层中的纤维方向角为连续变化的函数，而不是一个常数，所以该种方法不适用于变刚度复合材料。目前对变刚度复合材料的研究局限于平板、圆柱、圆锥面等规则的几何体。因此，如何合理地将变刚度复合材料应用到不规则的复杂结构中，并对其力学性能和稳定性进行研究，十分迫切且具有重要意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种变刚度复合材料的建模方法，解决了将变刚度复合材料应用到机翼等复杂或不规则结构中的难题，具有广泛的推广意义。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种变刚度复合材料的建模方法，包括以下步骤：S1、先对常刚度复合材料的结构模型进行优化设计；S2、对步骤S1中的模型进行截面简化；S3、根据步骤S2中的简化模型进行蒙皮铺层建模；S4、对变刚度复合材料结构模型建立整体有限元分析模型；进一步，该方法还包括步骤：S5、对步骤S4中建立的整体有限元分析模型进行优化设计。进一步，步骤S1中是通过求解数学模型的方式对所述的常刚度复合材料的结构模型进行优化设计，数学模型表达式如下：minW(X)＝∑ρj*Vj(X)；式中优化设计的目标是变刚度复合材料结构模型的质量W(X)最小；ρj为第j部分的材料密度；Vj(X)为第j部分的体积。进一步，步骤2中，还包括对简化模型与原模型的力学性能进行分析，验证简化模型的有效性。进一步，步骤S3中进行蒙皮铺层建模的方法包括：通过蒙皮中每个单元网格的几何数据，进行对比计算，判断出这个单元在哪一层，再使用相应的纤维路径函数给与该单元纤维方向的数据信息。进一步，步骤S3中，通过判断蒙皮内所有点与芯体表面的距离确定每层蒙皮所在单层的位置。进一步，步骤S4中，对变刚度复合材料结构模型建立整体有限元分析模型的方法，包括：蒙皮与芯体使用8节点六面体非协调单元，并在上蒙皮的截面相交区域进行了加密处理。进一步，步骤S4中，还包括：对模型根弦截面施加固定约束以及在上下蒙皮施加与最优点相同的气动载荷。进一步，步骤S5中，对步骤S4中建立的整体有限元分析建模进行优化设计，包括对变刚度复合材料模型的屈曲特性进行优化设计，并将纤维方向角函数的斜率与初始值作为设计变量。进一步，步骤S5中，用基于梯度的序列二次规划法，并选取多个初始点进行优化计算。本专利技术所提供的一种变刚度复合材料的建模方法，通过组合分步优化设计的方法，在第一步优化设计中先得到最优几何构型与材料参数，在最优几何构型上进行合理简化，实现了复杂结构的分层建模，然后在优化设计中通过包含复合判据的蒙皮铺层算法将纤维路径信息输入到有限元分析模型中，以变刚度复合材料的纤维铺设路径参数为设计变量，实现了变刚度复合材料结构模型的优化设计。解决了将变刚度复合材料应用到机翼等复杂结构中的难题。附图说明图1为一种机翼模型结构示意图；图2为图1所示变刚度复合材料机翼分层建模的示意图；图3为图1所示机翼模型的简化翼盒模型示意图；图4为纤维铺层算法的一种具体实施方式的流程图；图5为一种最优变刚度复合材料机翼蒙皮各个单层的纤维方向角分布示意图。其中，图中标记表示为：1、机翼模型，11、芯体，12、蒙皮。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。以一种机翼模型1为例，请参考附图1，为一种机翼模型结构示意图。先对常刚度复合材料的机翼结构模型进行优化设计。复合材料机翼优化设计的数学模型表达如下：minW(X)＝∑ρj*Vj(X)s.t.0.5≤X1≤0.99,8≤X2≤15,0≤X5≤90,0.01≤X6≤0.90.01≤X7≤0.95,0.1≤X8≤30,0.1≤X9≤30X3＝1,2,3,4,5,6,X4＝1,2,3,4,5|σ1|≤X',|σ2|≤Y',|τ12|≤SMaxDis≤10mm,MaxRot≤1°式中优化设计的目标是机翼的质量W(X)最小；ρj为第j部分的材料密度；Vj(X)为第j部分的体积；设计变量X＝{X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9}，如表1所示；σ1、σ2为机翼单层出现的最大正应力，τ12为机翼出现的最大剪切应力；X'、Y'、S为对应的材料强度；MaxDis为机翼最大变形量；MaxRot为机翼最大扭转角。表1优化设计变量表2复合材料机翼优化结果根据上述优化的结构，对机翼模型1截面进行简化，并在相同载荷条件下，对简化模型与原模型的力学性能进行分析，验证简化模型的有效性，在后续的变刚度复合材料机翼的设计中，采用该简化模型，如图3所示。由于已将翼型简化为由7条直线组成的平面，因此芯体截面可由A-J共10个控制点进行表征。将坐标原点O设为翼盒固定约束端的左下侧，建立直角坐标系Oxyz。其中Oxz平面与翼盒固定约束端重合，Oz轴与重合，坐标系遵守右手定则。蒙皮12铺层角度取决于蒙皮12所在的单层的位置，其结构示意图如图2所示。由于单层蒙皮12厚度相同，因此可通过判断蒙皮12内所有点与芯体表面的距离作为依据进行判断。对于该模型而言，截面AOG对截面HIJ的放大倍数为1.5，这表明不能简单地通过x坐标以及z坐标来进行蒙皮12所在层位置的判定，而必须通过复合判据进行控制。以面ABH与面BCH附近的点P为例进行阐述，求解思想如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变刚度复合材料的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、先对常刚度复合材料的结构模型进行优化设计；S2、对步骤S1中的模型进行截面简化；S3、根据步骤S2中的简化模型进行蒙皮铺层建模；S4、对变刚度复合材料结构模型建立整体有限元分析模型。

【技术特征摘要】
1.一种变刚度复合材料的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、先对常刚度复合材料的结构模型进行优化设计；S2、对步骤S1中的模型进行截面简化；S3、根据步骤S2中的简化模型进行蒙皮铺层建模；S4、对变刚度复合材料结构模型建立整体有限元分析模型。2.根据权利要求1所述的一种变刚度复合材料的建模方法，其特征在于，还包括步骤：S5、对步骤S4中建立的整体有限元分析模型进行优化设计。3.根据权利要求1所述的一种变刚度复合材料的建模方法，其特征在于，步骤S1中是通过求解数学模型的方式对所述的常刚度复合材料的结构模型进行优化设计，数学模型表达式如下：minW(X)＝∑ρj*Vj(X)；式中优化设计的目标是变刚度复合材料结构模型的质量W(X)最小；ρj为第j部分的材料密度；Vj(X)为第j部分的体积。4.根据权利要求1所述的一种变刚度复合材料的建模方法，其特征在于，步骤2中，还包括对简化模型与原模型的力学性能进行分析，验证简化模型的有效性。5.根据权利要求1所述的一种变刚度复合材料的建模方法，其特征在于，步骤S3中进行蒙皮铺层建模的方法包括：通过每层蒙皮的单元网格的几何...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雁，王鹏飞，张峤，梁珂，温卓群，王博，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11