[發明專利]一種交織與層壓混合鋪層復合材料層壓板建模及分析方法

有效

• 申請號: 201911146368.8
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN110826284B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 李敏;魏漢青;顧軼卓;王紹凱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;B32B38/18;G06F119/14;G06F113/26
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 陳磊;張楨

本發明公開了一種交織與層壓混合鋪層復合材料層壓板建模和分析方法，包括步驟：設計交織與層壓混合鋪層結構；生成基礎層壓鋪層模型和基礎交織鋪層模型；建立交織與層壓混合鋪層復合材料層壓板3D模型；對建立的交織和層壓混合鋪層復合材料層壓板3D模型，進行材料屬性、邊界條件及加載方式設置，實現對交織和層壓混合鋪層復合材料層壓板的力學性能的有限元分析。本發明根據鋪層參數自動生成多種交織與層壓混合鋪層的復合材料層壓板模型，可以指導不同載荷條件下復合材料層壓板層間性能薄弱環節的交織鋪層結構混合設計，并可以預測這種混合結構對復合材料層壓板的強化效果，包括層間性能，抗彎性能和抗沖擊性能等。

技術領域

本發明屬于復合材料結構建模領域，特別涉及一種自動生成交織與層壓混合鋪層復合材料層壓板3D有限元模型以及分析方法，用于預測交織鋪層與層壓鋪層混合后對復合材料層壓板的強化作用。

背景技術

纖維增強復合材料優異的力學性能主要集中在其軸向方向，而纖維與樹脂之間弱的界面結合力和樹脂固有的脆性，使得復合材料層壓板的層間性能較差。在壓縮、彎曲及沖擊等載荷作用下，復合材料層壓板層間容易產生裂紋并且裂紋會沿著層間擴展，導致面內強度、剛度性能的下降，甚至引起層壓板整體結構的破壞。復合材料層壓板層間性能差，這在很大程度上限制了復合材料在汽車、飛機、輪船等的關鍵部位的使用。

為了提高復合材料的層間性能，科研人員在20世紀80年代研發出了三維(3D)紡織復合材料，并隨著2D紡織技術、樹脂傳遞模塑技術、復合材料虛擬制造和考核驗證技術的不斷成熟，3D機織產品也隨之在航空航空制件中得到廣泛應用。然而，纖維編織會額外引入纖維褶皺和彎曲，抗剪能力受到紗線交織點之間的摩擦力的限制等問題，降低了整個復合材料的力學性能。

實驗證明將傳統的2D鋪層結構發展到2.5D交織鋪層結構能夠大幅度提高復合材料的層間性能與抗沖擊強度。此外，交織鋪層是在自動鋪絲鋪帶技術上發展起來的一種新型工藝，該工藝通過鋪層交錯鋪放實現不同方向的鋪層在空間的交織，使每層有兩種以上不同方向的鋪層，在厚度方向實現纖維增強，顯著提高復合材料的抗分層能力，因此其在航空發動機的冷端風扇葉片、包容機匣等結構上有著廣闊的應用前景。

然而，交織鋪層結構雖然可以顯著提高鋪層復合材料的面外性能，但卻降低了復合材料的面內性能，特別是面內壓縮性能。因此在如何實現復合材料鋪層結構層間性能強化的基礎上，保證其面內性能不降低是目前急需并涵待解決的問題。此外，交織鋪層的纖維帶帶寬、纖維帶間隔、鋪層厚度、鋪層順序、交織位置等都會對鋪層性能產生影響。同時，交織鋪層的性能測試試件在鋪層大板不同的位置所得到的性能也會有一定差別，這對復合材料鋪層結構的有限元建模和分析技術也提出了新的挑戰。

發明內容

為此，本發明在考慮鋪層參數和細節結構影響的基礎上，采用參數化建模工具自動生成新型高性能鋪層復合材料層壓板模型，指導不同載荷條件下復合材料層壓板層間性能薄弱環節的交織鋪層結構混合設計，并預測這種混合結構對復合材料層壓板的強化效果，包括層間性能，抗彎性能和抗沖擊性能等。

本發明提供了一種交織與層壓混合鋪層復合材料層壓板建模和分析方法，包括步驟：

S1：設計交織與層壓混合鋪層結構

S11：根據載荷和工況，設計復合材料層壓板中的交織鋪層的鋪放位置和交織方式，以及交織鋪層和層壓鋪層的混合比例；

S12：根據復合材料層壓板的厚度要求，設計交織鋪層和層壓鋪層各自的鋪層角度、鋪層數量和鋪層順序，以及交織鋪層中纖維帶帶寬和纖維帶間隔等參數；

S2：基于步驟S1中設計的交織與層壓混合鋪層結構，分別生成基礎層壓鋪層模型和基礎交織鋪層模型

S21：建立網格單胞單元并根據鋪層角度參數化網格單胞單元，分別建立具有不同鋪層角度的層壓鋪層單層網格單元和交織鋪層單層網格單元；