CN107977538B

CN107977538B - 复合材料挠性元件设计方法

Info

Publication number: CN107977538B
Application number: CN201711469654.9A
Authority: CN
Inventors: 刘长喜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN107977538A

Abstract

复合材料挠性元件设计方法。本发明的复合材料挠性元件设计方法，根据挠性元件所需达到的技术参数要求在建模软件内依照初步尺寸与铺层设计建立模型并保存为通用格式；根据初步模型的设计内容，在CAE分析软件中导入实体模型，在模型属性中建立圆柱坐标系，同时在旋转轴上建立参考点；对复合层材料的属性、区域、方向参数进行设置；在相互作用属性中建立耦合约束与集束约束，并与已建立的参考点关联；建立施加力的条件参数并设定边界条件；建立六面体网格并输入实例布种数值，然后创建作业文件进行求解；将求解出的可视化结果与初步设计预期结果进行比较。本发明能够降低设计成本、缩短设计与分析的循环周期、提供优化设计途径。

Description

复合材料挠性元件设计方法

技术领域：

本发明涉及一种复合材料挠性元件设计方法。

背景技术：

挠性元件具有以下特点，它在受载荷时能产生显著的弹性变形，一方面能起到补偿相对位移的作用，其二可以通过储存弹性变形达到缓和冲击的作用，其三可以通过变型来改变结构刚度，调节系统的固有频率，达到避免共振和降低结构噪声的目的。因此，通过挠性元件将驱动机所产生的扭矩传递给从动机，挠性元件在补偿大的径向轴向及角向偏移、传递功率、扭矩能力强等方面表现优异，所以在工业、船舶、汽轮机、高速离心式压缩机应用广泛。

目前，挠性元件分类，主要分为金属挠性元件和非金属挠性元件两大类。其中金属挠性元件存在结构形式单一、防腐成本高、耐疲劳性不好、承受形变能力弱等缺点。反之非金属复合材料所具有的高比强度、高比模量、耐腐蚀等优点使得其制作的复合材料挠性元件具有轻质、噪声低、反作用力低、耐腐蚀、承受形变能力强等优点被广泛使用。

CAE分析作为现代设计方法中的重要一环，发挥着确保产品设计的合理性、减少设计成本、缩短设计与分析的循环周期、优化设计并降低工程进度的消耗等重要作用，在一定程度上帮助设计者在不制作样件的情况下，了解设计的结构缺陷并帮助改良产品结构。而且鉴于非金属复合材料的制作成本较高，其设计过程更加依赖CAE分析软件。

但国内非金属复合材料挠性元件的设计与分析目前还在起步阶段，没有明确的复合材料挠性元件铺层设计步骤。

发明内容：

本发明的目的是提供一种复合材料挠性元件设计方法，为明确复合材料挠性元件在使用CAE分析软件ABAQUS进行铺层设计分析时的具体步骤，旨在降低设计成本、缩短设计与分析的循环周期、提供优化设计途径。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

复合材料挠性元件设计方法，所述的设计方法通过以下步骤实现：

步骤一、根据挠性元件所需达到的技术参数要求分析受力形式并确立结构特点，明确初步尺寸与铺层设计，在建模软件内依照初步尺寸与铺层设计建立初步模型并保存为通用格式；

步骤二、根据初步模型的设计内容，在CAE分析软件中导入实体模型；

步骤三、在CAE分析软件中的模型属性中建立圆柱坐标系，同时在旋转轴上建立参考点；

步骤四、在CAE分析软件中的模型属性中，对实体模型的复合材料层的属性、区域、方向参数进行设置；

步骤五、在CAE分析软件中的相互作用属性中建立耦合约束与集束约束，并与已建立的参考点关联；

步骤六、在CAE分析软件中的边界条件属性中，建立施加力的条件参数并设定边界条件；

步骤七、在CAE分析软件中的网格属性中，建立六面体网格并输入实例布种数值，然后创建作业文件进行求解；

步骤八、将步骤七中CAE分析软件求解出的可视化结果与初步设计预期结果进行比较：

若误差大于预期值的10％～15％，则返回步骤一重新进行初步设计的优化；

若误差小于预期值的10％～15％，则输出文件及模型属性，完成最终设计结果。

有益效果：

本发明公开了复合材料挠性元件设计方法，使用分析软件计算以各向同性复合材料的挠性元件扭转刚度性能，然后以复合材料挠性元件的扭转刚度为基准，利用“等代设计法”设计复合材料挠性元件。本发明在保证复合材料挠性元件的强度以及扭转刚度的前提下，实现复合材料挠性元件传递扭矩，轴向位移补偿以及角向位移的补偿的功能。

本发明对复合材料挠性元件在使用CAE分析软件Abaqus/CAE进行铺层设计分析时的步骤进行明确说明，旨在降低设计成本、缩短设计与分析的循环周期、提供优化设计途径。本发明明确了复合材料挠性元件设计方法，详细说明使用CAE分析软件ABAQUS进行铺层设计分析时的操作步骤，明显缩短设计与分析的循环周期，提供优化设计途径。

通过分析软件来进行的初期设计，能及时了解设计的结构缺陷并对改良产品结构进行指导，确保复合材料挠性元件设计的合理性并且降低设计成本。

附图说明：

图1为本发明复合材料挠性元件设计方法的流程图；

图2为本发明实施例中涉及的有限元分析的网格划分图；

图3为本发明实施例中涉及的扭矩T＝4.8KN.m时的转角位移分布图；

图4为本发明实施例中涉及的位移载荷D＝5mm作用下的应力分布图；

图5为本发明实施例中涉及的弯矩M＝0.1KN.m作用下的变形图；

图6为本发明实施例中涉及的扭矩T＝4.8KN.m，弯矩M＝0.1KN.以及轴向位移载荷D＝5mm三种载荷共同作用下的应变分布图。

具体实施方式：

具体实施方式一：

本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，所述的设计方法通过以下步骤实现：

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤一所述的建模软件为SOLIDWORKS建模软件。OLIDWORKS建模软件是一套实体模型设计系统，能够对三维实体模型的装配、运动关系进行分析，减少设计过程中的错误以提高产品质量，并且能进行简单的逆向工程、有限元分析、数控仿真等功能。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤一所述的通用格式为利用SOLIDWORKS建模软件输出的STEP AP203格式的文件。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤二所述的CAE分析软件为Abaqus/CAE分析软件。Abaqus/CAE分析软件是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤三所述的参考点的个数为两个，分布位置设置在模型的两侧。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤四所述的属性为复合材料单层板属性，所述的区域为扇形区域，所述的方向为纤维方向。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤五所述的耦合约束为将圆盘体内径表面与外径表面的点集合耦合约束于所述两个参考点中的一个点。

具体实施方式八：

与具体实施方式七不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤五所述的集束约束为固定边界约束。

具体实施方式九：

与具体实施方式一、二、四、六或八不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤七所述的输入实例布种的数值为8～12。

具体实施方式十：

与具体实施方式九不同的是，本实施方式的复合材料挠性元件设计方法，步骤八所述的CAE分析软件求解出的可视化结果为OBD格式文件，是指Abaqus/CAE分析软件输出的用于后处理的计算结果文件。

以下为本发明的实施例，接下来将结合附图做详细说明，但本发明不限于以下实施例。

实施例1

因挠性元件一般为圆盘状，本实施例中为内径158mm、外径442mm、厚14mm的圆盘，且在不同的层面有变化尺寸，复合材料联轴器的设计参数要求如表1所示，由于复合材料联轴器由两个复合材料挠性元件和一个复合材料传动轴组成，针对项目中复合材料联轴器的设计参数要求，单个挠性元件的连续轴向位移补偿和瞬时轴向位移补偿应分别为2.5mm和5mm。

首先，基于通用数值分析软件ABAQUS计算各向复合材料制成的挠性元件的扭转刚度性能。基于ABAQUS软件，导入挠性元件的有限元分析模型。模型中以挠性元件的旋转轴为坐标轴建立圆柱坐标系，同时在旋转轴上建立了两个参考点，分别为KP1和KP2。挠性元件数值模型上内外边缘的节点以集合的形式分别与参考点KP1和KP2耦合在一起。分析过程中，将挠性元件的外边缘参考点KP1固定，在内边缘参考点KP2施加扭矩T，从而进行复合材料挠性元件的扭转刚度的计算，得到扭转刚度数值见表2。

其次，根据层合板设计的一般原则设计的铺层角度和不同铺层角度比例，对复合材料挠性元件传递扭矩以及进行轴向位移补偿和角向位移补偿能力影响的计算分析结果，设计的复合材料挠性元件的铺层为[0/(±30)2/90/0]6s。该铺层形式的复合材料挠性元件的扭转刚度与复合材料挠性元件的扭转刚度性能比较相似，能满足设计刚度要求。

然后，在此基础上，进行复合材料挠性元件在传递扭矩以及进行轴向位移补偿和角向位移补偿时的结构强度方面计算分析，验证结构是否满足强度要求，若不满足则重新进行铺层设计，直至满足结构的强度。

依据设计参数要求，在CAE数值分析软件Abaqus/CAE上对复合材料挠性元件在扭矩T＝4.8KN.m的作用下转角位移，其分布如图3所示，与设计要求的差值在允许范围内。

依据设计参数要求，在CAE数值分析软件Abaqus/CAE上对复合材料挠性元件在位移载荷D＝5mm作用下的应力数值，其分布如图4所示，与设计要求的差值在允许范围内。

依据设计参数要求，在CAE数值分析软件Abaqus/CAE上对复合材料挠性元件在弯矩M＝0.1KN.m作用下的变形值，其状态如图5所示，与设计要求的差值在允许范围内。

依据设计参数要求，在CAE数值分析软件Abaqus/CAE上对复合材料挠性元件在扭矩T＝4.8KN.m，弯矩M＝0.1KN.以及轴向位移载荷D＝5mm三种载荷共同作用下的应变数值，其分布状态如图6所示，与设计要求的差值在允许范围内。

由上述的分析计算过程可知复合材料挠性元件的扭转刚度基本达到了复合材料挠性元件的扭转刚度，在保证扭转刚度的条件下，该铺层形式的复合材料挠性元件在各个单一载荷(扭矩T＝4.8KN.m，弯矩M＝0.1KN.m，轴向位移载荷D＝5mm)的作用下以及复合载荷，即三种载荷同时作用时，各个铺层内所产生的最大应力及应变与形变值均满足所用复合材料的强度性能设计要求。

本发明的目的是提供复合材料挠性元件设计方法，为明确复合材料挠性元件在使用CAE分析软件Abaqus/CAE进行铺层设计分析时的具体步骤。

综合实施例内容，可以说明CAE分析能确保产品设计的合理性、减少设计成本、缩短设计与分析的循环周期、优化设计并降低工程进度的消耗等重要作用，在一定程度上帮助设计者在不制作样件的情况下，了解设计的结构缺陷并帮助改良产品结构。并达到降低设计成本、缩短设计与分析的循环周期、提供优化设计途径。

表1，复合材料联轴器的设计参数要求

表2，复合材料挠性元件的扭转刚度数值

Claims

1.一种复合材料挠性元件设计方法，其特征是：所述的设计方法通过以下步骤实现：

步骤四、在CAE分析软件中的模型属性中，对实体模型的复合材料层的属性、区域、方向参数进行设置；所述的属性为复合材料单层板属性，所述的区域为扇形区域，所述的方向为纤维方向；

步骤五、在CAE分析软件中的相互作用属性中建立耦合约束与集束约束，并与已建立的参考点关联；其中，耦合约束与集束约束与建立的参考点关联是指，将挠性元件数值模型上内外边缘的节点以集合的形式分别与参考点KP1和KP2耦合在一起；

步骤六、在CAE分析软件中的边界条件属性中，建立施加力的条件参数并设定边界条件；其中，设定边界条件是指，将挠性元件的外边缘参考点KP1固定，在内边缘参考点KP2施加扭矩T，从而进行复合材料挠性元件的扭转刚度的计算，得到扭转刚度数值；

若误差小于预期值的10％～15％，则输出文件及模型属性，完成最终设计结果；步骤一所述的建模软件为SOLIDWORKS建模软件；步骤一所述的通用格式为利用SOLIDWORKS建模软件输出的STEP AP203格式的文件；步骤二所述的CAE分析软件为Abaqus/CAE分析软件；步骤三所述的参考点的个数为两个，分布位置设置在模型的两侧。

2.根据权利要求1所述复合材料挠性元件设计方法，其特征在于：步骤五所述的耦合约束为将圆盘体内径表面与外径表面的点集合耦合约束于所述两个参考点中的一个点。

3.根据权利要求2所述复合材料挠性元件设计方法，其特征在于：步骤五所述的集束约束为固定边界约束。

4.根据权利要求3所述复合材料挠性元件设计方法，其特征在于：步骤七所述的输入实例布种的数值为8～12。

5.根据权利要求4所述复合材料挠性元件设计方法，其特征在于：步骤八所述的CAE分析软件求解出的可视化结果为OBD格式文件，是指Abaqus/CAE分析软件输出的用于后处理的计算结果文件。