[發(fā)明專利]一種變剛度復合材料的建模方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711464821.0
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108363828B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設計）人: 張雁;王鵬飛;張嶠;梁珂;溫卓群;王博
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 北京智乾知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11552
• 代理人: 華冰;于宏超

本發(fā)明涉及一種變剛度復合材料的建模方法，包括以下步驟：S1、先對常剛度復合材料的結構模型進行優(yōu)化設計；S2、對步驟S1中的模型進行截面簡化；S3、根據(jù)步驟S2中的簡化模型進行蒙皮鋪層建模；S4、對變剛度復合材料結構模型建立整體有限元分析模型。該方法解決了將變剛度復合材料應用到機翼等復雜或不規(guī)則結構中的難題，具有廣泛的推廣意義。

技術領域

本發(fā)明屬于復合材料的有限元分析技術領域，尤其涉及一種變剛度復合材料的建模方法。

背景技術

由于對輕質(zhì)結構的需求，飛行器、汽車等結構設計的研究和發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關。先進復合材料具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，將其用于飛行器等結構上，可明顯減輕結構重量、改善氣動彈性特性，提高結構性能。先進復合材料在飛行器上應用的部位和用量的多少，現(xiàn)已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一。例如，新型客機波音787與空客A350的復合材料用量達到50％以上。

復合材料結構設計是復合材料在結構上科學合理應用和降低全壽命周期費用的關鍵，重點在于充分利用復合材料性能的方向性、結構性能的可設計性和大型構件整體成形的良好工藝性，實現(xiàn)結構、效率、性能、功能與成本的綜合優(yōu)化。

帶有連續(xù)變化角度的纖維鋪層的復合材料被稱為變剛度復合材料，與傳統(tǒng)的復合材料層合板相比，其重量和成本可以減少10％-30％，因為不斷變化的纖維取向?qū)е铝嗣繉拥膭偠仍诓煌目臻g位置各不相同。工程設計人員可據(jù)此調(diào)整內(nèi)部載荷分布，使結構性能得到顯著提高。變剛度復合材料是在已有主要材料體系基礎上開發(fā)的先進復合材料，突破了傳統(tǒng)的復合材料鋪層設計理念，對制品的適應性更強，可以實現(xiàn)凸面、凹面和雙曲率構件等復雜型面結構的鋪疊，極大減少連接件的使用，減少結構重量。同時在使用連續(xù)變角度纖維鋪層時可預留開孔結構，減少后期開孔，既可避免應力集中現(xiàn)象，提高結構性能，降低成本，又可以進行優(yōu)化設計以及實現(xiàn)設計制造一體化，提高結構設計與生產(chǎn)效率，從而實現(xiàn)降低復合材料構件的全生命周期成本。

對于傳統(tǒng)復合材料結構設計，一般采用有限元軟件(如ABAQUS)中的復合材料模塊進行鋪層方向、鋪層順序、鋪層層數(shù)的設計，該種方法中各個鋪層中的纖維方向角為常數(shù)。然而，由于變剛度復合材料中各個鋪層中的纖維方向角為連續(xù)變化的函數(shù)，而不是一個常數(shù)，所以該種方法不適用于變剛度復合材料。目前對變剛度復合材料的研究局限于平板、圓柱、圓錐面等規(guī)則的幾何體。

因此，如何合理地將變剛度復合材料應用到不規(guī)則的復雜結構中，并對其力學性能和穩(wěn)定性進行研究，十分迫切且具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提出了一種變剛度復合材料的建模方法，解決了將變剛度復合材料應用到機翼等復雜或不規(guī)則結構中的難題，具有廣泛的推廣意義。

本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種變剛度復合材料的建模方法，包括以下步驟：

S1、先對常剛度復合材料的結構模型進行優(yōu)化設計；

S2、對步驟S1中的模型進行截面簡化；

S3、根據(jù)步驟S2中的簡化模型進行蒙皮鋪層建模；

S4、對變剛度復合材料結構模型建立整體有限元分析模型；

進一步，該方法還包括步驟：

S5、對步驟S4中建立的整體有限元分析模型進行優(yōu)化設計。

進一步，步驟S1中是通過求解數(shù)學模型的方式對所述的常剛度復合材料的結構模型進行優(yōu)化設計，數(shù)學模型表達式如下：

min W(X)＝∑ρ_j*V_j(X)；

式中優(yōu)化設計的目標是變剛度復合材料結構模型的質(zhì)量W(X)最?。沪?Sub>j為第j部分的材料密度；V_j(X)為第j部分的體積。