CN107292010A - 复合材料加筋蒙皮‑泡沫夹层结构简易有限元建模方法 - Google Patents

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赵衡柱
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Abstract

本发明公开了一种复合材料加筋蒙皮‑泡沫夹层结构简易有限元建模方法，该方法包括如下步骤，步骤1，建立一个三维实体模型；步骤2，分割三维实体模型，得到泡沫实体区域和分界面；步骤3，在分界面上建立一层壳体区域，并为壳体区域赋予复合材料属性、为泡沫实体区域赋予泡沫材料属性；步骤4，对壳体区域和泡沫实体区域进行网格划分；步骤5，设置边界条件；步骤6，提交计算。本发明创新地提出了一种改进的复合材料加筋蒙皮‑泡沫夹层结构简易有限元建模方法，不仅极大地减小了建模工作量，而且有效地提高了耦合计算精度，进而提高了有限元模型节点间应力传递效果和应变传递效果。

Description

复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法
技术领域
本发明涉及复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构制造技术领域，更为具体地，本发明为复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法。
背景技术
与传统的金属结构相比，复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构具有更高的比刚度和比强度，材料强度可充分利用，其具有力学性能优异等优点，因而越来越广泛地被应用于结构轻量化的设计中。
在复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的设计过程中，常规的建模方法是：首先分别建立复合材料加筋蒙皮有限元模型和泡沫有限元模型，其次将复合材料加筋蒙皮有限元模型与泡沫有限元模型进行装配、对应的节点进行耦合，常规的方法通过上述方式实现对复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构有限元建模的建立。
但是，由于复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构结构形式很复杂，在进行模型装配、节点耦合的过程中，无法实现所有节点的一一对应耦合，经常出现利用待耦合两个节点计算出的平均节点作为共节点的情况，从而导致耦合计算精度差、节点间应力传递效果差、应变传递效果差等问题。不仅如此，常规建模方法的模型建立过程繁琐，存在建模工作量大的问题。
因此，如何提高耦合计算精度、如何提高节点间应力传递效果、如何提高应变传递效果、如何有效地减小建模工作量，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为解决现有复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的建模方法装配过程中存在的耦合计算精度差、模型节点间应力传递效果差、应变传递效果差、建模工作量大等问题，本发明创新地提供了一种复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，通过实体模型建立、切割、壳体区域以及泡沫实体区域建立等方法保证节点的一一对应，避免了常规建模方法必须计算平均节点的问题，进而解决了常规建模方法存在的耦合计算精度差、节点间应力传递效果差、应变传递效果差等问题；通过对建模方法的优化和简化以及建模计算量的减少，本发明还解决了常规建模方法存在的建模工作量大的问题。
为实现上述的技术目的，本发明公开了一种复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，该建模方法包括如下步骤，
步骤1，建立一个三维实体模型，所述三维实体模型的外轮廓尺寸为复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的外轮廓尺寸；
步骤2，分割所述三维实体模型，得到泡沫实体区域，同时得到复合材料加筋蒙皮和泡沫的分界面；所述分界面为复合材料加筋蒙皮和泡沫的共用面；
步骤3，在所述分界面上建立一层壳体区域，并为所述壳体区域赋予复合材料属性、为所述泡沫实体区域赋予泡沫材料属性；
步骤4，对所述壳体区域和泡沫实体区域进行网格划分，得到复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的有限元网格模型；
步骤5，设置所述有限元网格模型的边界条件；
步骤6，基于所述外轮廓尺寸、复合材料属性、泡沫材料属性及边界条件提交计算，从而完成对复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的建模。
通过上述的实体模型的建立和分割、壳体区域和泡沫实体区域的网格划分和边界条件的设置，本发明彻底突破了传统方案先分体建立、再重新组合的方案，不仅有效减小了建模工作量，而且解决了传统方案由于平均节点的存在而产生的计算精度差的问题；另外，本发明提供的建模方法还具有简单可行、思路清晰、便于技术人员掌握和使用等突出优点，适于大面积的推广和学习。
进一步地，步骤6中，在提交计算前，还包括设置复合材料的失效准则的步骤。
进一步地，步骤6中，所述失效准则为Hashin失效准则或Tsai-Wu失效准则。
进一步地，所述Hashin失效准则包括：纤维压缩断裂失效指数、纤维拉伸断裂失效指数、基体压缩断裂失效指数以及基体拉伸断裂失效指数的设置。
进一步地，步骤3中，所述复合材料属性包括铺层数目和铺层角度。
进一步地，步骤3中，所述泡沫材料属性包括弹性模量、剪切模量以及泊松比。
进一步地，步骤5中，所述边界条件包括加速度、载荷、位移、惯性中的至少一种。
进一步地，步骤4中，在Abaqus环境下，所述有限元网格模型中，壳体区域的网格类型为四节点缩减积分壳单元，泡沫实体区域的网格类型为八节点缩减积分实体单元。
进一步地，步骤6中，壳体区域和泡沫实体区域相对应的节点进行耦合。
进一步地，在上述的步骤1至步骤6中，本发明在Abaqus环境下对所述复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构进行建模，从而可实现对模型各个性能参数的分析。
本发明的有益效果为：本发明创新地提出了一种改进的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，不仅极大地减小了建模工作量，而且有效地提高了耦合计算精度，进而提高了有限元模型节点间应力传递效果和应变传递效果。
另外，基于上述技术方案，本发明还具有建模速度快、出错风险低、通用性强、便于被技术人员掌握、适于大面积推广使用等突出优点，而且本发明的技术思路还可推广应用于其他夹层结构的建模。
附图说明
图1为复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法进行详细的解释和说明。
如图1所示，本发明创新地公开了一种复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，是对传统有限元建模方法的改进和优化。具体地，本发明提供的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法可以通过Abaqus实现，在Abaqus环境下对复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构进行建模，但是，在本发明提供的技术构思启示上，本领域技术人员也可以考虑在其他三维建模平台上或结合其他的平台实现实现。本发明的建模方法具体包括如下步骤。
步骤1，建立一个复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的三维实体模型，三维实体模型的外轮廓尺寸为复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的外轮廓尺寸；本实施例中，上述复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的三维实体模型可仅包含复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的外轮廓尺寸信息，比如，复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的外轮廓尺寸为200mm×35mm×100mm，其中，200mm×35mm表示建立的三维实体模型界面外轮廓尺寸，100mm表示三维实体模型长度方向尺寸L。
步骤2，本发明创新采用建立并分割三维实体模型的方法，具体分割过称为：分割三维实体模型，得到泡沫实体区域，同时得到复合材料加筋蒙皮和泡沫的分界面；上述的分界面为建成后的有限元模型中的复合材料加筋蒙皮和泡沫之间的共用面。
步骤3，在分界面上建立一层壳体区域，并为壳体区域赋予复合材料属性、为泡沫实体区域赋予泡沫材料属性，泡沫实体区域最终会被建立为有限元模型中的泡沫部分，壳体区域最终会被建立为有限元模型中的复合材料加筋蒙皮部分。本实施例中，复合材料属性包括铺层数目和铺层角度，泡沫材料属性包括弹性模量、剪切模量以及泊松比。
步骤4，对壳体区域和泡沫实体区域进行网格划分，实现对壳体区域和泡沫实体区域离散化，并生成节点，得到复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的有限元网格模型，用于后续计算。本步骤中，有限元网格模型中，壳体区域的网格类型为四节点缩减积分壳单元(Abaqus环境下的名称为S4R壳单元)，泡沫实体区域的网格类型为八节点缩减积分实体单元(Abaqus环境下的名称为C3D8R实体单元)。
步骤5，设置有限元网格模型的边界条件。本实施例中，该边界条件包括加速度、载荷、位移、惯性中的至少一种。
步骤6，基于外轮廓尺寸、复合材料属性、泡沫材料属性及边界条件提交计算，计算过程包括壳体区域和泡沫实体区域相对应的节点进行直接耦合，由于对应的各节点均是来自于步骤1中建立的三维实体模型，耦合过程中不存在任何偏差，彻底克服现有技术中耦合计算精度差的问题，不需要计算平均节点，同时极大地降低了建模工作量。通过上述方法完成对复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的建模。本实施例中，在提交计算前，还包括设置复合材料的失效准则的步骤，即基于外轮廓尺寸、复合材料属性、泡沫材料属性、边界条件以及复合材料的失效准则提交计算。其中，失效准则可为Hashin失效准则或Tsai-Wu失效准则。
更为具体地，Hashin失效准则包括：纤维压缩断裂失效指数(通过在Abaqus场输出变量中输入关键字“HSNFCCRT”实现)、纤维拉伸断裂失效指数(通过在Abaqus场输出变量中输入关键字“HSNFTCRT”实现)、基体压缩断裂失效指数(通过在Abaqus场输出变量中输入关键字“HSNMCCRT”实现)以及基体拉伸断裂失效指数(通过在Abaqus场输出变量中输入关键字“HSNMTCRT”实现)的设置。而Tsai-Wu失效准则可以通过在Abaqus场输出变量中输入关键字“TSAIW”实现。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例中”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：该建模方法包括如下步骤，
步骤1，建立一个三维实体模型，所述三维实体模型的外轮廓尺寸为复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的外轮廓尺寸；
步骤2，分割所述三维实体模型，得到泡沫实体区域，同时得到复合材料加筋蒙皮和泡沫的分界面；所述分界面为复合材料加筋蒙皮和泡沫的共用面；
步骤3，在所述分界面上建立一层壳体区域，并为所述壳体区域赋予复合材料属性、为所述泡沫实体区域赋予泡沫材料属性；
步骤4，对所述壳体区域和泡沫实体区域进行网格划分，得到复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的有限元网格模型；
步骤5，设置所述有限元网格模型的边界条件；
步骤6，基于所述外轮廓尺寸、复合材料属性、泡沫材料属性及边界条件提交计算，从而完成对复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的建模。
2.根据权利要求1所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：步骤6中，在提交计算前，还包括设置复合材料的失效准则的步骤。
3.根据权利要求2所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：步骤6中，所述失效准则为Hashin失效准则或Tsai-Wu失效准则。
4.根据权利要求3所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：所述Hashin失效准则包括：纤维压缩断裂失效指数、纤维拉伸断裂失效指数、基体压缩断裂失效指数以及基体拉伸断裂失效指数的设置。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：步骤3中，所述复合材料属性包括铺层数目和铺层角度。
6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：步骤3中，所述泡沫材料属性包括弹性模量、剪切模量以及泊松比。
7.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：步骤5中，所述边界条件包括加速度、载荷、位移、惯性中的至少一种。
8.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：步骤4中，所述有限元网格模型中，壳体区域的网格类型为四节点缩减积分壳单元，泡沫实体区域的网格类型为八节点缩减积分实体单元。
9.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：步骤6中，壳体区域和泡沫实体区域相对应的节点进行耦合。
10.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，其特征在于：在Abaqus环境下对所述复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构进行建模。
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