【技术实现步骤摘要】
本申请涉及连续纤维增强复合材料，具体涉及了一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计及3d打印方法。
技术介绍
1、随着我国轨道交通领域快速发展，高速动车组运行速度不断提升，其零部件的高性能、轻量化需求日益迫切。拉杆作为主承载构件，以往大多使用铁、合金钢等金属材料进行加工成型，然而金属材料成型件容易受到腐蚀和疲劳影响。
2、近年来，连续纤维增强复合材料由于高比强度、高耐腐蚀性和可设计性强等优点，已广泛应用在轨道交通领域，并且开始从非承力件向主承力件上的应用发展。基于连续纤维增强复合材料的强大设计性，通过设计曲线纤维变刚度结构，能够实现带孔结构的应力集中降低和力学性能提高。同时3d打印工艺可以通过设计打印路径和工艺参数精确调控纤维的方向和含量，为变刚度结构的高性能一体化制造提供了新的技术支撑。因此，3d打印连续纤维增强变刚度结构为拉杆的高性能、轻量化创新设计与制造提供了新方案。
3、然而，目前研究都是针对简单开孔板进行变刚度结构的设计与制造，其中基于直角坐标系划分布点区域和计算打印间距的方法，难以适用于曲率较大的复杂结构。另外，对于曲线弧长打印距离的计算方法，目前还没有提出。因此，本申请基于3d打印和服役载荷下的应力分布，提出一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计及3d打印方法，以实现拉杆的高性能设计与制造一体化。
4、该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
5、申
6、为了解决现有方法的不足，本申请的目的在于提供一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计及3d打印方法。
7、首先，基于有限元分析得到应力场分布，进而通过极坐标扫掠划分布点区域，采用面积均分法优化轨迹点以实现变刚度拉杆优化设计。然后，建立3d打印的曲线非等间距计算方法和曲线弧长计算方法，通过精确控制树脂进给量，实现拉杆设计与制造一体化。
8、为了达到上述目的，本申请采取的技术方案为：
9、在本申请的一些实施例中，一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，基于有限元分析得到应力场分布，进而通过极坐标扫掠划分布点区域，采用面积均分法优化轨迹点以实现变刚度拉杆优化设计。
10、在本申请的一些实施例中，具体设计方法包括以下步骤：
11、1)根据极坐标系的特征和扫掠范围，将整体结构划分为三个区域，包括圆环结构、连接部分和中间杆三部分，对每一部分分别建立极坐标系以划分布点区域；
12、2)建立复合材料有限元模型，选用合适的网格单元类型，根据步骤1)的区域划分，对每一区域定义扫掠路径，沿扫掠路径划分网格；
13、3)建立圆环结构的极坐标系，选择合适的角度θ扫掠圆周，划分布点区域，用径向长度和角度表示轨迹点的位置，使同一布点区域内的纤维轨迹点沿着径向按顺序排布；采用极坐标扫掠划分的每个布点区域均沿径向分布，采用了同一角度θ上的极径ρ大小进行的应力调控；
14、4)建立中间杆部分的极坐标系，中间杆部分看成曲率半径无穷大的圆环结构，采用极坐标扫掠选择合适的区间长度，划分布点区域，按照ρj的大小进行排序以通过面积均分法进行优化；
15、5)建立连接部分的极坐标系，类似于圆环结构沿θ方向划分布点区域，基于优化方法得到轨迹点的排布(x′k,y′k)；以坐标轴原点为圆心，为每层轨迹点画圆弧，根据圆环结构上相邻纤维路径的排列顺序，连接这些圆弧到中间杆的相应路径上；沿x方向连接拉杆整体结构的纤维轨迹点，完成拉杆的曲线纤维路径设计；
16、6)根据重新得到的曲线纤维轨迹计算每个网格单元对应的纤维含量与材料属性，选用距网格质心最近的纤维轨迹点代替网格单元，该点的纤维含量和切线方向则为网格的纤维含量和方向，进而得到新的有限元信息及对应的材料设置，生成曲线纤维变刚度拉杆有限元仿真模型，并重新进行仿真分析；
17、7)由于步骤6)得到的应力分布随纤维排列变化而变化，对结果进行优化。
18、在本申请的一些实施例中，所述3)中，由于采用极坐标扫掠划分的每个布点区域都是沿着径向分布，所以采用了同一角度θ上的极径ρ大小进行的应力调控，对轨迹点进行分布优化，将位于同一布点区域内的所有轨迹点设为集合a，a＝{b1，b2，b3…bn},其中任意一点bi＝(ρi,θi)，即：其中ρi是轨迹点到圆环圆心的距离，θi是布点区域集合所处的角度位置；然后根据应力场的分布，提取每个网格中沿纤维方向的应力值及坐标，即(xi，yi，σi)，进而得到对应的极坐标；然后对圆环结构进行基于极坐标扫掠的变刚度优化设计，在对每个布点区域的轨迹点优化处理时，假设其为竖直方向，然后按照ρ值的大小进行排序并应用面积均分法进行优化，即先绘制(ρi,θi)的折线图，求取该图形与坐标轴围成的面积s，根据布点个数n，将s平均分成n等份，每一份的面积为基于相邻纤维轨迹点之间应力均分的原则，求取纤维轨迹点的新的ρ′i坐标值，得到对应的新坐标值(x′i,y′i)。
19、在本申请的一些实施例中，所述4)中，将同一布点区域下的网格信息(ρj，θj，σj)定义为集合b；按照ρj的大小进行排序；然后对沿着y轴的每一区域的应力与坐标值(ρj，σj)采用步骤3)中的优化方法，使应力在相邻纤维轨迹之间均分，通过优化纤维轨迹点分布，得到优化后纤维轨迹点(x′j,y′j)，实现纤维轨迹点与应力梯度相匹配。
20、在本申请的一些实施例中，所述5)中，将同一布点区域下的网格信息(ρk，θk，σk)定义为集合c，然后基于提出的优化方法得到轨迹点的排布(x′k,y′k)；以坐标轴原点为圆心，为每层轨迹点画圆弧，根据圆环结构上相邻纤维路径的排列顺序，连接这些圆弧到中间杆的相应路径上，其中若有偏移圆弧的轨迹点，则选择距离该圆弧最近的点；最后沿x方向连接拉杆整体结构的纤维轨迹点，得到拉杆的曲线纤维路径。
21、在本申请的一些实施例中，所述7)中，定义度量值ε为定量评估纤维方向与应力方向的标准，其取值范围为0～1，0代表垂直，1代表对齐，其中对任一轨迹点有：其中：i是打印路径上某点，f和d分别表示该点的最大主应力方向和纤维方向。
22、在本申请的一些实施例中，由于每个轨迹点处所处的区域大小不同，不直接对所有轨迹点求平均值，采用加权平均法求所有点的纤维方向与应力方向对齐度量值ε，使整体结构平均划分，消除网格大小对计算结果的影响，即：其中：εi是任意一点纤维与应力的方向对齐度量值，ξi是任意一点所处区域占整体结构的权重；当纤维与应力的方向对齐度量值变化连续两次不超过1％时，终止迭代。
23、在本申请的另一些实施例中，还提供一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆3d打印方法，通过建立曲线纤维路径打印距离和打印间距计算方法，实现变刚度拉杆设计与制造一体化；
24、具体方法包括以下步骤：
25、1)建立非等曲线本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，基于有限元分析得到应力场分布，进而通过极坐标扫掠划分布点区域，采用面积均分法优化轨迹点以实现变刚度拉杆优化设计；
2.根据权利要求1所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，所述3)中，由于采用极坐标扫掠划分的每个布点区域都是沿着径向分布，所以采用了同一角度θ上的极径ρ大小进行的应力调控，对轨迹点进行分布优化，将位于同一布点区域内的所有轨迹点设为集合A，A＝{B1，B2，B3…Bn},其中任意一点Bi＝(ρi,θi)，即：式中ρi是轨迹点到圆环圆心的距离，θi是布点区域集合所处的角度位置；然后根据应力场的分布，提取每个网格中沿纤维方向的应力值及坐标，即(xi，yi，σi)，进而得到对应的极坐标；然后对圆环结构进行基于极坐标扫掠的变刚度优化设计，在对每个布点区域的轨迹点优化处理时，假设其为竖直方向，然后按照ρ值的大小进行排序并应用面积均分法进行优化，即先绘制(ρi,θi)的折线图，求取该图形与坐标轴围成的面积S，根据布点个数n，将S平均分成n等份，每一份的面积为基于相邻纤维轨
3.根据权利要求1所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，所述4)中，将同一布点区域下的网格信息(ρj，θj，σj)定义为集合B；按照ρj的大小进行排序；然后对沿着y轴的每一区域的应力与坐标值(ρj，σj)采用步骤3)中的优化方法，使应力在相邻纤维轨迹之间均分，通过优化纤维轨迹点分布，得到优化后纤维轨迹点(x′j,y′j)，实现纤维轨迹点与应力梯度相匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，所述5)中，将同一布点区域下的网格信息(ρk，θk，σk)定义为集合C，然后基于提出的优化方法得到轨迹点的排布(x′k,y′k)；以坐标轴原点为圆心，为每层轨迹点画圆弧，根据圆环结构上相邻纤维路径的排列顺序，连接这些圆弧到中间杆的相应路径上，其中若有偏移圆弧的轨迹点，则选择距离该圆弧最近的点；最后沿x方向连接拉杆整体结构的纤维轨迹点，得到拉杆的曲线纤维路径。
5.根据权利要求1所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，所述7)中，定义度量值ε为定量评估纤维方向与应力方向的标准，其取值范围为0～1，0代表垂直，1代表对齐，其中对任一轨迹点有：其中：i是打印路径上某点，f和d分别表示该点的最大主应力方向和纤维方向。
6.根据权利要求5所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，由于每个轨迹点处所处的区域大小不同，不直接对所有轨迹点求平均值，采用加权平均法求所有点的纤维方向与应力方向对齐度量值ε，使整体结构平均划分，消除网格大小对计算结果的影响，即：其中：εi是任意一点纤维与应力的方向对齐度量值，ξi是任意一点所处区域占整体结构的权重；当纤维与应力的方向对齐度量值变化连续两次不超过1％时，终止迭代。
7.一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆3D打印方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的设计方法设计拉杆；通过建立曲线纤维路径打印距离和打印间距计算方法，实现变刚度拉杆设计与制造一体化；
8.根据权利要求7所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆3D打印方法，其特征在于，所述步骤1)中建立曲线间距计算方法，中间杆上每条路径的轨迹点位于同一竖直方向的布点区域，即同一x(θ)值下，扫描间距为相邻线之间的距离：
9.根据权利要求7所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆3D打印方法，其特征在于，所述步骤3)中，结合连续纤维增强变刚度结构的3D打印工艺基于FDM工艺原理，通过喷头挤出的体积减去纤维丝束的体积，确定树脂的进给量，其中：α是补偿系数，D是树脂丝材的直径。
10.根据权利要求9所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆3D打印方法，其特征在于，α取1.18。
...【技术特征摘要】
1.一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，基于有限元分析得到应力场分布，进而通过极坐标扫掠划分布点区域，采用面积均分法优化轨迹点以实现变刚度拉杆优化设计；
2.根据权利要求1所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，所述3)中，由于采用极坐标扫掠划分的每个布点区域都是沿着径向分布，所以采用了同一角度θ上的极径ρ大小进行的应力调控，对轨迹点进行分布优化，将位于同一布点区域内的所有轨迹点设为集合a，a＝{b1，b2，b3…bn},其中任意一点bi＝(ρi,θi)，即：式中ρi是轨迹点到圆环圆心的距离，θi是布点区域集合所处的角度位置；然后根据应力场的分布，提取每个网格中沿纤维方向的应力值及坐标，即(xi，yi，σi)，进而得到对应的极坐标；然后对圆环结构进行基于极坐标扫掠的变刚度优化设计，在对每个布点区域的轨迹点优化处理时，假设其为竖直方向，然后按照ρ值的大小进行排序并应用面积均分法进行优化，即先绘制(ρi,θi)的折线图，求取该图形与坐标轴围成的面积s，根据布点个数n，将s平均分成n等份，每一份的面积为基于相邻纤维轨迹点之间应力均分的原则，求取纤维轨迹点的新的ρ′i坐标值，得到对应的新坐标值(x′i,y′i)。
3.根据权利要求1所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，所述4)中，将同一布点区域下的网格信息(ρj，θj，σj)定义为集合b；按照ρj的大小进行排序；然后对沿着y轴的每一区域的应力与坐标值(ρj，σj)采用步骤3)中的优化方法，使应力在相邻纤维轨迹之间均分，通过优化纤维轨迹点分布，得到优化后纤维轨迹点(x′j,y′j)，实现纤维轨迹点与应力梯度相匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于极坐标扫掠的连续纤维增强变刚度拉杆设计方法，其特征在于，所述5)中，将同一布点区域下的网格信息(ρk，θk，σk)定义为集合c，然后基于提出的优化方法得到轨迹点的排布(x′k,y′k)；以坐标轴原点为圆心，为每层轨迹点画圆弧，根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯章浩，郭政显，罗盟，郅定兴，丁浩林，徐猛，杜雨森，兰红波，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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