一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，所述双稳态层合板具有曲线纤维路径，包括以下步骤：确定复合材料层合板的设计参数；确定曲线纤维路径的角度参数；建立复合材料层合板的稳态分析模型；建立Abaqus的二次开发插件；仿真验证复合材料层合板的稳态特性。本发明专利技术解决了具有曲线纤维路径的双稳态复合材料层合板的设计问题，提供了一种简单的双稳态曲线纤维层合板的设计方法。稳态曲线纤维层合板的设计方法。稳态曲线纤维层合板的设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法


[0001]本专利技术涉及复合材料结构设计领域，具体涉及一种具有曲线纤维路径的双稳态变角度层合板的设计方法。

技术介绍

[0002]双稳态复合材料结构由于其轻质、力学性能好等优点，还有其独特的双稳态行为，在航空航天、能量收集、仿生结构等领域得到广泛应用。
[0003]在实际的变形场合中，通常是用传统的直线纤维复合材料层合板实现，其纤维以直线的形式铺放。虽然直线纤维铺放设计流程简单且能满足一般的工程要求，但却在很大程度上限制了复合材料设计的灵活性，不能很好的利用复合材料方向性的特点。

技术实现思路

[0004]针对以上的问题，本专利技术目的在于提出一种具有双稳态的复合材料层合板的计方法，该双稳态复合材料层合板具有变刚度的特性。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种双稳态复合材料层合板的设计方法，该双稳态复合材料层合板具有曲线纤维路径，包括如下步骤：
[0007]步骤1)确定复合材料层合板的设计参数，包括复合材料层合板的材料参数、铺层参数、总体尺寸及曲线纤维路径。
[0008]制备变角度层合板的单层材料参数有纤维方向弹性模量E1、纤维横向弹性模量E2、面内泊松比v12、面内剪切模量G12、单层板的厚度ts、纤维方向的热膨胀系数α1和纤维横向热膨胀系数α2。
[0009]铺层参数包括铺层的层数n和铺设方式，铺设方式包括正对称铺设、反对称铺设和正交铺设。
[0010]总体尺寸包括层合板的长度和宽度。
[0011]曲线纤维路径指的是一种纤维铺放角线性变化的曲线路径，这种线性变化的曲线对制造约束的适应性更强，也有助于建立更简单的分析模型。
[0012]线性变化的曲线纤维相关的角度参数主要有T0和T1，平板中心处的角度表示为T0，称为纤维参考路径的初始角，一般简称为初始角；距离平板中心a/2处的平板边缘角度表示为T1，称为纤维参考路径的终止角，一般简称为终止角，d表示平板中心到边界的距离。
[0013]步骤2)建立复合材料层合板的稳态分析模型，针对步骤1给出的确定性设计参数建立复合材料层合板的稳态分析模型，应用经典层合板理论求解出层合板的ABD矩阵，其中A，B和D分别表示拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度。
[0014]值得注意的是，对于变角度层合板，ABD矩阵是关于x，y的函数。
[0015]根据里兹法设定适合的中面应变函数和面外位移函数后，可求得层合板的总势能，再根据最小势能原理，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数，最后根据构
件雅可比矩阵的正定性来判定解的稳定性和稳态数量；模型如下：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023]其中表示转换矩阵，与材料参数和铺设角度有关，C
i
为中面应变能和面外位移的未知参数，k表示曲率，具体表达如下：
[0024][0025]步骤3)建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m个微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，以直代曲。
[0026]如果手动地为每个单元赋值，工作量非常大，因此需要借助Abaqus二次开发接口Python来完成，只需输入固定的参数如：层合板的长宽；层合板厚度；角度参数和网格数目等就能自动建立模型并提交作业。
[0027]步骤4)仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤1的设计参数绘制复合材料层合板结构，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层。
[0028]通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，与理论模型进行对比，验证稳态数量和稳态曲率的误差。
[0029]本专利技术的有益效果是：本专利技术具有两个设计变量，即纤维初始角和纤维终止角，根据这两个变量可以设计不同曲线路径的双稳态变角度层合板，丰富了复合材料设计的灵活性。
附图说明
[0030]图1是本专利技术的曲线纤维层合板的示意图；
[0031]图2是本专利技术的纤维角度示意图；
[0032]图3是本专利技术的Abaqus二次开发插件的流程图。
具体实施方式
[0033]下面通过具体实例，并结合说明书附图对本专利技术作进一步描述。
[0034]步骤1)确定变角度层合板的各参数，包括复合材料层合板的材料参数、铺层参数、总体尺寸及曲线纤维路径的角度参数。
[0035]在本例中取E1＝138GPa，E2＝8.36GPa，v12＝0.27，G12＝4.51GPa，α1＝
‑
0.000000106/℃，α1＝0.0000256/℃，t＝0.45mm，铺层数总共2层，铺层方式采用类似[0/90]的正交铺设，层合板的形状为正方形，边长为150mm。
[0036]曲线纤维路径的角度参数T0＝
‑
T1，T0分别取5
°
，10
°
，15
°
，20
°
。
[0037]步骤2)建立复合材料层合板的稳态分析模型。
[0038]具体步骤如下：
[0039]根据经典层合板理论，利用步骤1所确定的材料参数和角度函数，求得层合板的ABD矩阵，随后确定适合的面外位移函数和中面应变函数后，根据步骤一中的公式4对整个层合板积分后可求得整个层合板的总体势能，势能则可由14个未知参数来表示，最后根据最小势能原理求解，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数。
[0040]最后，根据构建雅可比矩阵的正定性来判定解的稳定性和稳态数量。借助Mathematica软件求解得到有两个稳态解，分别为：
[0041]K1＝[0.00670977][0042]K2＝[0.00680981][0043]步骤3)建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m个微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，“以直代曲”。如果手动地为每个单元赋值，工作量非常大，因此需要借助Abaqus二次开发接口Python来完成，只需输入固定的参数如：层合板的长宽；层合板厚度；角度参数和网格数目等就能自动建立模型并提交作业。
[0044]步骤4)仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤1的设计参数绘制复合材料层合板结构，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层。
[0045]通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，有
[0046]K1＝[0.00663994][0047]K2＝[0.00667558][0048]通过有限元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双稳态复合材料层合板的设计方法，该双稳态复合材料层合板具有曲线纤维路径，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)确定复合材料层合板的设计参数，包括复合材料层合板的材料参数、铺层参数、总体尺寸及曲线纤维路径：步骤2)建立复合材料层合板的稳态分析模型，针对步骤1)给出的确定性设计参数建立复合材料层合板的稳态分析模型，应用经典层合板理论求解出层合板的ABD矩阵，其中A，B和D分别表示拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度；对于变角度层合板，ABD矩阵是关于x，y的函数；根据里兹法设定适合的中面应变函数和面外位移函数后，可求得层合板的总势能，再根据最小势能原理，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数，最后根据构件雅可比矩阵的正定来判定解的稳定性和稳态数量；步骤3)建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m块微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，以直代曲；并借助Abaqus二次开发接口Python来完成，输入固定参数自动建立模型并提交作业；步骤4)仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤1)的设计参数创建变角度层合板，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层；通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，与分析模型作比较，来验证稳态数量和稳态曲率的误差。2.根据权利要求1所述的一种双稳态复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：张征，徐嘉泽，马永龙，孙敏，张广，吴化平，李吉泉，彭翔，丁浩，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：