[發明專利]一種復合材料的有限元分析方法

無效

• 申請號: 201310403039.3
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN103455679A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 程秀杰;張越雷;陳雷;曾湘黔;萬翔
• 申請（專利權）人: 湘潭電機股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所 43108
• 代理人: 顏昌偉

技術領域

本發明涉及一種復合材料的有限元分析方法。

背景技術

目前，對于復合材料機械性能進行計算時，往往利用傳統的數學公式進行計算，對于采用纏繞成型的復合材料，其纏繞時復合材料的纏繞方向不統一且有一定的預緊力，纏繞后為層狀結構，纏繞結束后需進行高溫固化，固化過程中，每層纖維的預緊力有不同程度的釋放，傳統數學公式的方法對每層纏繞方向不同，殘余預緊力不同的復合材料很難進行準確分析計算。

發明內容

本發明的目的在于克服以上缺陷，提供一種分析準確的復合材料的有限元分析方法。

本發明的技術方案是：一種復合材料的有限元分析方法，其包括以下步驟：

步驟1：建立數學模型，根據分析結構的尺寸，利用三維軟件建立三維模型；

步驟2：利用有限元軟件對所建立的模型定義材料屬性并進行網格劃分，轉換成有限元模型，所述定義材料屬性為依據材料的各向異性進行定義，即對每層的纏繞方向、纏繞厚度以及材料的失效準則來進行定義，網格劃分可以根據結構的形狀采用不同的網格劃分方式，可以采用自適應網格劃分、自由網格劃分、掃掠網格劃分等；

步驟3：對有限元模型進行邊界條件加載，根據受力的實際情況對模型進行條件加載，模擬實際情況；

步驟4：對上述模型進行有限元分析，得出應力分布云圖及位移狀況圖。

本發明的技術效果是，由于分析時，定義材料屬性為依據材料的各向異性進行定義，按每一層的纏繞方向和纏繞厚度來進行分別計算，從而對復合材料每層的纏繞方向、殘余預緊力能進行很好的模擬。

附圖說明

圖1為本發明實施例中電機轉子保護套結構示意圖；

圖2為本發明實施例數學模型；

圖3為本發明實施例有限元模型。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

參照附圖1，為一種電機轉子結構，其包括保護套1、磁鋼2、轉子鐵心3、轉軸4。其中保護套1為復合材料，總厚度為2mm，第一到四層為纖維A，纏繞方向為轉軸4成30度角，一到四層的厚度為0.1mm，每層的預緊力為500N，第五層到十二層為纖維B，纏繞方向為與轉軸4成45度角，厚度為0.2mm，每層的預緊力為600N。電機運行時，保護套1會受到磁鋼2的離心力作用。整個有限元分析對保護套1在電機的運行時的受力情況進行模擬分析，其包括以下步驟：

步驟1：建立數學模型，根據分析結構的要求，利用三維軟件建立三維模型并對三維模型進行簡化，去除對結果影響很小的結構，保留主要分析結構，建成數學模型，該數學模型包括轉軸4、轉子鐵心3、磁鋼2、保護套1。考慮到結構的對稱性，選取最小的對稱單元進行分析計算，建立圖2所示的最小的對稱單元模型；

步驟2：利用有限元軟件對所建立的模型定義材料屬性，保護套1的材料屬性定義是依據各向異性進行定義，即對保護套1每層的纏繞方向、纏繞厚度以及材料的失效準則來進行定義，對各向同性材料的磁鋼2、轉子鐵心3、轉軸4分別定義材料本身的彈性模量、泊松比、密度。然后對結構進行網格劃分，轉換成有限元模型，網格劃分可以根據結構的形狀采用不同的網格劃分方式，如自適應網格劃分、自由網格劃分、掃掠網格劃分等。結構尺寸小，易產生應力集中的部位，網格要保證一定的精度，以保證計算結果的準確性。建立圖3所示的有限元模型；

步驟3：對有限元模型進行邊界條件加載，模型采用的是最小對稱單元，因此對稱邊界要施加對稱邊界條件；轉子鐵心3和磁鋼2為正常接觸，設置成接觸對；轉軸4假設一端沒有軸向位移，約束轉軸4一端端面的軸向位移；保護套1為復合材料，綁扎時有一定的預緊力F，且與磁鋼2緊密接觸，因此保護套1和磁鋼2設置成接觸對，并對保護套1第一層到第四層施加預緊力F=500N，第五層到十二層施加預緊力F=600N，通過命令ISTRESS施加。計算時模擬電機運行狀況，磁鋼2施加到保護套1上的離心力需要通過對整體模型施加轉速實現，轉速通過公式α=nπ/30（α為角速度n為轉速）把轉速轉換成角速度，對整體模型施加角速度。整個模型加載主要是完全模擬實際工況，把運行時轉軸4、轉子鐵心3、磁鋼2對保護套1的離心力通過軟件計算施加到保護套上；

步驟4：對上述模型進行有限元分析，得出應力分布云圖及位移狀況圖。