CN107451360B - 复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞机结构设计技术领域，具体提供了一种复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法，首先建立复合材料3D壳几何模型，包括水平缘条区、转角区和垂直缘条区，然后建立水平缘条区直角坐标系和垂直缘条区直角坐标系，并建立转角区柱坐标系，再分别定义水平缘条区、转角区和垂直缘条区的复合材料铺层属性，并根据法向分别调试上述三个区的铺层基准参考方向，选取上述三个区铺层对应坐标系，并保证上述三个区域的铺层连续且同一铺层的角度一致，然后对复合材料3D壳几何模型进行网格划分，对所述几何模型施加约束和载荷，得到有限元模型，最后求出所述有限元模型的静强度场变量。

Description

复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及飞机结构设计技术领域，特别涉及复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法。
背景技术
复合材料层压板结构相互垂直缘板交界处的R区结构特征，广泛存在于各种飞机复合材料零部件中，如长桁、肋及梁等。在R区预浸料存在转折铺设，坐标系将发生变化，在一般的总体有限元分析中，各独立面参考各自的直角坐标系，未考虑转角及铺层连续问题，其输出结果不能反应真实结构的受力情况，如某型飞机复合材料翼肋由于缘条和腹板转角区提早出现分层而导致放弃采用复合材料翼肋方案。
发明内容
为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，建立复合材料3D壳几何模型，所述壳几何模型包括水平缘条区、转角区和垂直缘条区，水平缘条区对应水平缘条面集合，转角区对应转角面集合，垂直缘条区对应垂直缘条面集合；
步骤二，建立水平缘条区直角坐标系和垂直缘条区直角坐标系，并建立转角区柱坐标系；
步骤三，分别定义水平缘条区、转角区和垂直缘条区的复合材料铺层属性，并根据法向分别调试上述三个区的铺层基准参考方向，选取上述三个区铺层对应坐标系，并保证上述三个区域的铺层连续且同一铺层的角度一致；
步骤四，对复合材料3D壳几何模型采用八节点减缩壳单元类型进行网格划分，对所述几何模型施加约束和载荷，得到有限元模型；
步骤五，求出所述有限元模型的静强度场变量。
优选的，所述复合材料为预浸料，所述复合材料铺层属性包括材料力学性能、铺层角度、铺层顺序。
优选的，所述静强度场变量包括铺层应力、应变、位移。
本发明提供的复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法，将R区连接区域进行分割，并分别建立各自区域的局部坐标系，实现了复合材料铺层转弯后的连续性，将复合材料转折铺层连接成整体铺层，该建模方法为复合材料空间结构及R区的细节分析提供了可靠实用的分析方法，可算出整个铺层的应力应变等结果。
附图说明
图1是复合材料3D壳几何模型的示意图；
图2是复合材料的坐标系示意图；
图3是复合材料的有限元网格示意图；
图4是复合材料的45°铺层剪应力云图。
附图标记：垂直缘条区1，R转角区2，水平缘条区3。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
需要说明的是：下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，均仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供的复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法，旨在建立垂直缘板R区铺层连续铺设下的细节模型，为该细节结构特征的力学行为(如静强度、稳定性及损伤容限)评估提供了一种数值模拟方法，该方法的具体实施步骤如下：
步骤一，如图1所示，建立复合材料3D壳几何模型，所述壳几何模型包括水平缘条区、转角区和垂直缘条区，水平缘条区对应水平缘条面集合，转角区对应转角面集合，垂直缘条区对应垂直缘条面集合，本实施例中优选的是，所述复合材料为预浸料。
步骤二，如图2所示，建立水平缘条区直角坐标系和垂直缘条区直角坐标系，并建立转角区柱坐标系。
步骤三，分别定义水平缘条区、转角区和垂直缘条区的复合材料铺层属性，并根据法向分别调试上述三个区的铺层基准参考方向，选取上述三个区铺层的对应坐标系，并保证上述三个区域的铺层连续且同一铺层的角度一致，本实施例中优选的是，所述复合材料铺层属性包括材料力学性能、铺层角度、铺层顺序等属性。
步骤四，如图3所示，对复合材料3D壳几何模型采用八节点减缩壳单元类型进行网格划分，对所述几何模型施加约束和载荷，得到有限元模型，本实施例中优选的是，所述有限元模型采用Abaqus软件实现，本实施例中：
加载及约束：一端顶点加载F＝10N，另一边固支；
层板铺层：[45/0/90-45]；
单向预浸料材料性能：E1＝136GPa，E2＝E3＝9.8GPa，G12＝G13＝4.7GPa，G23＝4.261GPa，v12＝v13＝0.28,v23＝0.15。
步骤五，如图4所示，求出所述有限元模型的静强度场变量，图中的编码为单元编号，本实施例中优选的是，所述静强度场变量包括铺层应力、应变、位移等变量。
复合材料的45°铺层剪应力数据如表1所示：
表1复合材料的45°铺层剪应力数据
单元 τ<sub>12</sub>(MPa)
264 -15.8377
361 -10.1633
362 -11.8414
363 -11.4608
620 -19.6173
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种复合材料直角转弯连续铺层的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一，建立复合材料3D壳几何模型，所述3D壳几何模型包括水平缘条区、转角区和垂直缘条区，水平缘条区对应水平缘条面集合，转角区对应转角面集合，垂直缘条区对应垂直缘条面集合； 步骤二，建立水平缘条区直角坐标系和垂直缘条区直角坐标系，并建立转角区柱坐标系； 步骤三，分别定义水平缘条区、转角区和垂直缘条区的复合材料铺层属性，并根据法向分别调试上述三个区的铺层基准参考方向，选取上述三个区的铺层的对应坐标系，并保证上述三个区的铺层连续且同一铺层的角度一致； 步骤四，对复合材料3D壳几何模型采用八节点减缩壳单元类型进行网格划分，对所述3D壳几何模型施加约束和载荷，得到有限元模型； 步骤五，求出所述有限元模型的静强度场变量，所述静强度场变量包括铺层应力、应变、位移。
2.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于：所述复合材料为预浸料，所述复合材料铺层属性包括材料力学性能、铺层角度、铺层顺序。
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