[發明專利]復合材料梯形波紋夾芯圓柱殼的多尺度等效建模方法

有效

• 申請號: 202011027975.5
• 申請日: 2020-09-26
• 公開（公告）號: CN112163273B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 趙海濤;田莉;陳吉安;袁明清;劉馨陽;彭雅慧
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種復合材料梯形波紋夾芯圓柱殼的多尺度等效建模方法，通過經典層合板理論編寫MATLAB計算程序采集得到任意的鋪層角度和層數條件下層合板的彈性常數以建立梯形波紋夾芯結構的代表性體積元的有限元模型；通過施加周期性邊界條件計算得到結構單胞在不同單位應變下的力學響應，再通過外置后處理程序計算得到結構單胞等效后的正交各向異性板的彈性常數，最后建立梯形波紋夾芯圓柱殼等效后具有相同半徑和厚度的圓柱殼模型。本發明能夠實現復合材料梯形波紋夾芯圓柱殼的跨尺度等效建模，包括介觀模型和宏觀模型；可以實現從介觀層合板材料到宏觀結構的快速建模。

技術領域

本發明涉及的是一種復合材料領域的技術，具體是一種復合材料梯形波紋夾芯圓柱殼的多尺度等效建模方法。

背景技術

近年來，隨著航天任務多樣化，航天器的燃料貯箱的尺寸越來越大，其主要承力結構為圓柱殼端框，使用帶波紋夾芯的圓柱殼可以極大的提高端框承載能力。梯形波紋夾芯結構是指由上下面板和梯形波紋芯子組合而成的夾芯結構。通過選擇合適的構形、尺寸和材料可以獲得輕質量的波紋夾芯結構，容易實現結構輕量化，同時它的比剛度和比強度都很大，具有優異的力學性能。

現有的復合材料夾芯圓柱殼的制造工藝的特點是直接在工業高壓釜中固化成型，但對大尺寸的結構，受限于固化成型設備的尺寸，無法整體成型，只能分段制造再組裝到一起，制造過程繁瑣，耗費時間長，因此對大型設備的試驗成本非常高，無法通過試驗獲得不同材料體系和結構構型對整體大型圓柱殼的力學性能的影響。對波紋夾芯圓柱殼整個結構進行全尺寸的數值建模分析，耗費時間長，計算效率低。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種復合材料梯形波紋夾芯圓柱殼的多尺度等效建模方法，能夠實現復合材料梯形波紋夾芯圓柱殼的跨尺度等效建模，包括介觀模型和宏觀模型；可以實現從介觀層合板材料到宏觀結構的快速建模，克服建立和分析大型波紋夾芯圓柱殼細節模型效率低下的問題。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種復合材料梯形波紋夾芯圓柱殼的多尺度等效建模方法，通過經典層合板理論編寫MATLAB計算程序采集得到任意的鋪層角度和層數條件下層合板的彈性常數以建立梯形波紋夾芯結構的代表性體積元的有限元模型；通過施加周期性邊界條件計算得到結構單胞在不同單位應變下的力學響應，再通過外置后處理程序計算得到結構單胞等效后的正交各向異性板的彈性常數，最后建立梯形波紋夾芯圓柱殼等效后具有相同半徑和厚度的圓柱殼模型。

所述的彈性常數，包括彈性模量E₁，E₂，E₃，剪切模量G₁₂，G₁₃，G₂₃泊松比v₁₂，v₁₃，v₂₃。

所述的梯形波紋夾芯結構的代表性體積元的有限元模型，即具有詳細尺寸的劃分好網格的實體單元。

所述的周期性邊界條件為：其中：u′、v′、w′分別為像點(周期性對稱點)在x、y、z方向的位移，u、v、w分別為原節點在x、y、z方向的位移；W_x、W_y、W_z分別為像點與原節點各方向之間的坐標差；為各應變分量。

所述的結構單胞是指大型波紋夾芯圓柱殼的一個代表性體積單元，其截面為梯形，將此單胞沿著軸向和周向重復鋪開以獲得整個圓柱殼。

所述的力學響應為：其中：和為正應變和剪切應變，和為正應力和剪切應力，為柔度矩陣的各項系數。

所述的結構單胞等效后的正交各向異性板的彈性常數為：

所述的圓柱殼模型包括：復合材料層合板介觀模型、梯形波紋夾芯結構單胞模型和梯形波紋夾芯圓柱殼宏觀模型。