CN107679334A - 一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法，步骤如下：指定模型中子层压板数量NL及总的铺层数NP；提取模型的外型面SO和内型面SI，根据厚度区域对外型面SO进行一级分区，并赋予其二维层压板属性；将铺层序列展开以使每一个一级分区对应NL个二级分区；创建二级分区等效材料及等效属性；计算每个二级分区对应的子层压板厚度TX_Y；对外型面SO划分面网格；复制外型面SO上的NN个原始节点，并将复制的节点投影到内型面SI上，形成投影节点集合；在原始节点与投影节点之间线性插入节点阵列；采用从一个底面到另一底面的顺序逐个二级分区生成实体单元，并赋予对应的截面属性。本发明解决人工建模重复工作量大、耗时长、人为建模易错的问题。

Description

一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法
技术领域
本发明属于飞机结构设计及强度分析领域，具体涉及一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法。
背景技术
随传统的复合材料层压板三维实体有限元模型建模方法，是基于完整的CAD数模划分网格，然后逐层赋予属性。一旦几何构型复杂或者铺层数量较多，尤其是对于厚度有变化的复合材料层压板，建模工作量极大，过程繁琐，效率很低。另外，当铺层数量和铺层厚度发生变化时，都需要重新建模。人工建模重复工作量大，耗时长，容易引入人为的建模错误且不易检查。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法，结构简单，易于实施，保证飞机飞行安全。
本发明的目的通过如下技术方案实现：一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法，包括如下步骤：
步骤一：指定CAD层压板模型中厚度方向子层压板数量NL及总的铺层数NP，NL≤NP；
步骤二：提取CAD层压板模型的外型面SO和内型面SI，根据厚度区域对外型面SO进行一级分区，一级分区的总数量记录为NR1；同时对每一个一级分区按照铺层数量和铺层顺序赋予二维层压板属性；
步骤三：提取步骤二中每个一级分区的二维层压板属性，并将整个铺层序列按照一级分区的数量NR1和子层压板数量NL展开，以使每一个一级分区对应NL个二级分区；接着创建二级分区等效材料及等效属性；再计算每个二级分区对应的子层压板厚度TX_Y；
步骤四：对外型面SO划分面网格，记录所有单元的节点号及排列顺序，以及记录外型面SO上面网格单元总数NE及节点总数NN；
步骤五：复制外型面SO上面的NN个原始节点，并将复制的节点投影到内型面SI上，形成投影节点集合；
步骤六：调用子层压板的数量NL以及每个二级分区子层压板的厚度TX_Y，按照厚度比例在原始节点与投影节点之间线性插入节点阵列；
步骤七：依据步骤四周获得的单元的节点号及排列顺序，结合原始节点、投影节点及节点阵列，采用从一个底面到另一底面的顺序逐个二级分区生成实体单元，同时删除基于外型面SO的面网格以及二维层压板属性；
步骤八：对每一个二级分区赋予对应的三维截面属性。
本发明所提供的一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法的有益效果在于，通过对基于外型面的面网格节点复制、投影及阵列，形成一一对应的空间立体点阵，同时根据面网格节点顺序将空间点阵连接成为三维实体单元，并自动赋予铺层属性，整个过程可实现参数化、自动化建模，可将传统建模方式几个小时的工作缩短至几分钟，极大地提高了等厚度复合材料层压板结构有限元模型的建模效率，并且本发明能够实现逐层离散与多层实体单元离散两种模式，其中多层实体离散模型配合专用的求解程序可求解厚板结构强度分析问题，可极大地简化建模及计算工作量。
附图说明
图1为本发明中提取几何内型面SI及外型面SO示意图；
图2为本发明中基于外型面SO的一级分区示意图；
图3为本发明中铺层序列按分区立体展示意图；
图4为本发明中基于外型面SO的面网格示意图；
图5为本发明中外型面SO面网格节点复制示意图；
图6为本发明中外型面SO面原始节点与内型面SI投影节点示意图；
图7为本发明中空间节点阵列示意图；
图8为本发明中典型空间节点阵列示意图；
图9至图12为本发明中基于典型空间节点阵列的三维实体单元生成的过程示意图；
图13为本发明中完整的变厚度复合材料层压板有限元模型示意图。
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。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。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。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。
下面结合附图对本发明的变厚度复合材料层压板有限元建模方法做进一步详细说明。
一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法，通过如下步骤实施：
(1)指定CAD层压板模型中厚度方向子层压板数量(即厚度方向的单元数量)NL及总的铺层数NP，NL≤NP。
(2)提取CAD层压板模型的外型面SO和内型面SI，如图1所示。
(3)对外型面SO进行一级分区，一级分区的总数量记录为NR1，一级分区命名方式为regionX，X代表的是一级分区号，X≤NR1。整个层压板中，一个厚度区域对应一个一级分区，如图2所示，同时对每一个一级分区按照铺层数量和铺层顺序赋予二维层压板属性。
(4)提取步骤(3)中的每个一级分区的二维层压板属性，并将整个铺层序列按照一级分区的数量NR1和子层压板数量(即厚度方向单元数量)NL进行立体展开，铺层展开后，每一个一级分区将对应NL个二级分区，从而总的二级分区数量为NR1×NL，铺层序列展开格式见表1。
(5)创建二级分区等效材料及属性。每个一级分区内有NL个二级分区，每个二级分区内又有1个或者多个铺层，且不同铺层的真实材料、铺层角度都有所不同，因此需要对每一个二级分区建立新的等效材料和等效截面属性，等效材料和等效截面属性均为NR1×NL种。等效材料的命名需要体现分区的编号以及分区内的铺层数量，可采用以下命名方式，regionX_Y_Z，其中X代表一级分区号，Y代表该二级分区号，Z代表该二级分区内的铺层数量，例如第2个一级分区第4个二级分区内有25个铺层，则该分区等效材料命名为region2_4_25。
每个二级分区的等效截面属性命名同样应体现分区的代码，可以采用以下命名方式，regionX_Y，其中X代表一级分区号，Y代表该二级分区号。
整个铺层序列按分区立体展开以后的效果图如图3所示。
(6)计算每个二级分区对应的子层压板厚度TX_Y，其中X代表一级分区号，Y代表该二级分区号。
(7)对外型面SO划分面网格，记录图4所示所有单元的节点号及排列顺序。例如以四节点面单元进行离散，每个单元共包含4个节点，则记录格式为Element ID，Node ID1，Node ID2，Node ID3，Node ID4，一个单元记录一行，并将其存储于外部数据文件A中。另外，记录外型面SO上面网格单元总数NE及节点总数NN。
(8)复制外型面SO上面的NN个原始节点，如图5所示。并记录新节点ID与原始节点ID的一一对应关系，ID号为i的节点复制后，新增的节点ID编号可以为NN+i，以方便建立一一对应关系，同时防止节点编号重复。
(9)将复制的节点投影到内型面SI上，形成投影节点集合，如图6所示。
(10)调用厚度方向子层压板的数量NL以及每个二级分区子层压板的厚度TX_Y，按照厚度比例在原始节点与投影节点之间线性插入节点阵列，如图7所示。新插入节点阵列的层数为NL-1，每一层节点数量为外型面SO上节点总数NN，第k层节点阵列中节点的ID编号为2NN+ki，其中1≤k≤NL-1，1≤i≤NN，此编号规则可方便建立原始节点、投影节点以及空间节点阵列之间的一一对应关系，同时防止节点编号重复。
(11)依据数据文件A中记录的面单元节点顺序，结合原始节点、投影节点及空间节点阵列的节点ID号，采用从顶部到底部或者从底部到顶部的顺序逐个二级分区生成实体单元。例如，外型面SO上某个单元的原始节点号及顺序为1-2-4-3，上述四个节点投影到内型面SI上的节点分别为1001-1002-1004-1003,基于上述两组节点空间立体插入3层节点阵列，三层节点编号分别为2001-2002-2004-2003,3001-3002-3004-3003,4001-4002-4004-4003，如图8所示。基于上述五组节点逐层生成空间三维8节点实体单元：1001-1002-1004-1003-2001-2002-2004-2003,2001-2002-2004-2003-3001-3002-3004-3003,3001-3002-3004-3003-4001-4002-4004-4003,4001-4002-4004-4003-1-2-4-3，如图9至图12所示。最终完成整个结构有限元网格的生成，如图13所示。同时对每一个二级分区内的单元建立相应的单元集合，集合命名为regionX_Y，其中X代表一级分区号，Y代表二级分区号。以便于后续对每一个分区赋予铺层数性。
(12)删除基于外型面SO的面单元，仅保留实体单元。同时删除步骤(3)中赋予一级分区的二维层压板属性。
(13)对每一个实体单元集合(即每一个二级分区)赋予对应的截面属性。
根据需要，还可以在两个子层压板之间通过类似方法生成界面单元，并赋予界面单元属性。
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。
表1。

Claims (1)

1.一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：指定CAD层压板模型中厚度方向子层压板数量NL及总的铺层数NP，NL≤NP；
步骤二：提取CAD层压板模型的外型面SO和内型面SI，根据厚度区域对外型面SO进行一级分区，一级分区的总数量记录为NR1；同时对每一个一级分区按照铺层数量和铺层顺序赋予二维层压板属性；
步骤三：提取步骤二中每个一级分区的二维层压板属性，并将整个铺层序列按照一级分区的数量NR1和子层压板数量NL展开，以使每一个一级分区对应NL个二级分区；接着创建二级分区等效材料及等效属性；再计算每个二级分区对应的子层压板厚度TX_Y；
步骤四：对外型面SO划分面网格，记录所有单元的节点号及排列顺序，以及记录外型面SO上面网格单元总数NE及节点总数NN；
步骤五：复制外型面SO上面的NN个原始节点，并将复制的节点投影到内型面SI上，形成投影节点集合；
步骤六：调用子层压板的数量NL以及每个二级分区子层压板的厚度TX_Y，按照厚度比例在原始节点与投影节点之间线性插入节点阵列；
步骤七：依据步骤四周获得的单元的节点号及排列顺序，结合原始节点、投影节点及节点阵列，采用从一个底面到另一底面的顺序逐个二级分区生成实体单元，同时删除基于外型面SO的面网格以及二维层压板属性；
步骤八：对每一个二级分区赋予对应的三维截面属性。
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