CN108595724A - 复合材料回转件设计方法 - Google Patents
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Abstract
复合材料回转件设计方法。目前国内非金属复合材料回转件的设计与分析目前还在起步阶段，且没有明确的复合材料回转件铺层设计步骤。本发明的复合材料回转件设计方法，首先基于层合板结构理论，计算最大切应力、临界扭转力、临界转速，然后使用Abaqus/CAE分析软件，建立用于复合材料回转件性能计算分析的数值分析模型。建立复合材料回转件几何模型，并建立自定义的柱坐标系。为复合材料回转件赋予材料属性，并进行铺层设置。建立参考点，建立耦合约束，利用单元格进行网格划分，最后建立频率计算的分析步由计算得到结果。本发明能够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。
Description
技术领域：
本发明涉及一种复合材料回转件设计方法。
背景技术：
碳纤维复合材料传动轴作为复合材料制品中十分重要的一个类型，其使用范围十分广泛，在车辆、船舶、航空航天等领域有十分高的应用优势，比如复合材料回转件相较传统金属回转件的比刚度、比强度、耐腐蚀性、耐磨损性都有大大提高。而且振动衰减能力强，噪声低，不导磁，同时具有较强的径向轴向位移补偿能力。
ABAQUS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。它对金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料、土壤和岩石等不同的材料；应力、位移、热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析全部通用的模拟分析软件，在复合材料领域应用广泛。
但国内非金属复合材料回转件的设计与分析目前还在起步阶段，且没有明确的复合材料回转件铺层设计步骤。
发明内容：
本发明的目的是提供一种复合材料回转件设计方法，为明确复合材料传动轴在使用ABAQUS进行校核计算分析时的具体步骤，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：
复合材料回转件设计方法，所述的设计方法通过以下步骤实现：
步骤一、根据复合材料回转件所需达到的技术参数进行初步铺层形式设计，并在建模软件中依照初步铺层形式设计建立模型；并对已完成铺层形式设计的回转件的最大切应力、临界扭转力、临界转速这三个值进行公式校核；
步骤二、使用建模软件建立复合材料回转件的初步几何模型，并保存为通用格式的模型；
步骤三、根据初步几何模型在Abaqus/CAE分析软件中导入通用格式的模型，且将几何模型分割为两部分，便于后续网格的划分及分析；
步骤四、在Abaqus/CAE分析软件中的模型属性中建立自定义的圆柱坐标系，同时在旋转轴上建立参考点；
步骤五、在Abaqus/CAE分析软件中的模型属性中对导入的通用格式模型的复合材料层的属性、区域、方向参数进行设置；
步骤六、在Abaqus/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，并与参考点关联；
步骤七、在Abaqus/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；
步骤八、在Abaqus/CAE分析软件中的网格属性中利用单元格进行网格划分，设置实例布种数值，同时创建作业文件进行求解；
步骤九、将Abaqus/CAE分析软件所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：
本发明方法首先基于层合板结构理论，计算最大切应力临界扭转力临界转速然后使用Abaqus/CAE分析软件，建立用于复合材料回转件性能计算分析的数值分析模型。建立复合材料回转件几何模型，并建立自定义的柱坐标系。为复合材料回转件赋予材料属性，并进行铺层设置。建立参考点，建立耦合约束，利用单元格进行网格划分，最后建立频率计算的分析步由计算得到结果。本发明明确该种复合材料回转件设计方法，详细说明基于Abaqus/CAE分析软件的复合材料传动轴性能计算分析的操作步骤，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。
附图说明：
图1是本发明复合材料回转件设计方法的流程图；
图2是本发明实施例中有限元分析的网格划分图；
图3是本发明实施例中复合材料传动轴频率分析结果云图；
图4是本发明实施例中复合材料传动轴扭转刚度应力分析云图；
图5是本发明实施例中复合材料传动轴弯曲刚度形变分析云图。
具体实施方式：
具体实施方式一：
本实施方式的复合材料回转件设计方法，所述的计算分析方法通过以下步骤实现：
步骤一、根据复合材料回转件所需达到的技术参数进行初步铺层形式设计，并在建模软件中依照初步铺层形式设计建立模型；并对已完成铺层形式设计的回转件的最大切应力、临界扭转力、临界转速这三个值进行公式校核；
步骤二、使用建模软件建立复合材料回转件的初步几何模型，并保存为通用格式的模型；
步骤三、根据初步几何模型在Abaqus/CAE分析软件中导入通用格式的模型，且将几何模型分割为两部分，便于后续网格的划分及分析；其中，Abaqus/CAE软件是一套功能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；Abaqus是一套功能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；CAE是指计算机辅助工程，包括工程和制造业信息化，主要是指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陨，改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的可用性与可靠性的过程；
步骤四、在Abaqus/CAE分析软件中的模型属性中建立自定义的圆柱坐标系，同时在旋转轴上建立参考点；
步骤五、在Abaqus/CAE分析软件中的模型属性中对导入的通用格式模型的复合材料层的属性、区域、方向参数进行设置；
步骤六、在Abaqus/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，并与参考点关联；
步骤七、在Abaqus/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；
步骤八、在Abaqus/CAE分析软件中的网格属性中利用单元格进行网格划分，设置实例布种数值，同时创建作业文件进行求解；
步骤九、将Abaqus/CAE分析软件所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。
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回转件设计方法，步骤一所述的铺层形式设计为对称铺层。
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回转件设计方法，步骤一所述的对已完成铺层形式设计的回转件的最大切应力、临界扭转力、临界转速这三个值进行校核过程中，
所述的最大切应力的表达式为：式中，τxy表示最大切应力，T表示扭矩，r表示回转件内径，t表示单层复合材料层厚；
所述的临界扭转力的表达式为：式中，Tcr表示临界扭转力，L表示回转件长度，Ex表示回转件径向压缩弹性模量，Ey表示回转件轴向压缩弹性模量，t表示单层复合材料层厚，D表示回转件外径；
所述的临界转速的表达式为：式中，n表示临界转速，f表示共振频率，r表示回转件内径，L表示回转件长度，Ex表示表示综合压缩弹性模量，ρ表示密度。
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回转件设计方法，步骤二所述的建模软件为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回转件设计方法，步骤二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。
具体实施方式六：
与具体实施方式五不同的是，本实施方式的复合材料回转件设计方法，步骤四所述的参考点的个数为两个，分布位置为模型轴心线上。
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回转件设计方法，步骤五所述的属性为复合材料单层板属性，所述区域为扇形区域，所述方向为纤维方向。
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回转件设计方法，步骤六所述耦合约束为将空心圆柱体端面上小径、大径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回转件设计方法，步骤六所述的集束约束为固定边界约束。
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回转件设计方法，步骤八所述的设置实例布种数值的值为8～12。
具体实施方式十一：
与具体实施方式一、二、四、六、八或十不同的是，本实施方式的复合材料回转件设计方法，步骤九所述的可视化结果为OBD格式文件，是指Abaqus输出的用于后处理的计算结果文件。
实施例1：
回转件一般为圆筒状，本实施例中为内径114mm、外径132mm、高556mm的圆柱体，单层板性能数值如表1所示，复合材料回转件的设计参数经过校核最大切应力临界扭转力临界转速如表2所示。
首先，基于ABAQUS有限元分析软件，对复合材料回转件导入用于复合材料回转件校核分析的数值分析模型。
然后，在Part模块建立复合材料回转件几何模型，为便于后续网格的划分及分析，将几何模型分割为两部分，并建立自定义的柱坐标系。
在Property模块为复合材料回转件赋予材料属性，并进行铺层设置。
在Step模块建立频率计算的分析步，在Interaction模块中，在轴的两个端面建立参考点KP-1和KP-2，并与端面节点之间建立耦合约束，约束参考点KP-1和KP-2的自由度U1，U2，U3及UR1，UR2，UR3如图2所示。
在Mesh模块利用SC8R单元进行网格划分，建立并提交分析模型。
最后，在此基础上，进行复合材料回转件在共振频率以及扭转刚度和角轴弯曲刚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ABAQUS上对复合材料回转件在转动阶段为四时的共振频率进行分析计算，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ABAQUS上对复合材料回转件的两个端面建立参考点KP-1和KP-2，并与端面节点之间建立耦合约束，约束参考点KP-2的全部自由度，在参考点KP-1施加扭矩T＝4.8KN.m，进行轴的扭转刚度分析，其应力分布如图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ABAQUS上对复合材料回转件一端固定，一端施加向下的集中力F＝4kN，进行轴的弯曲刚度分析，复合材料回转件的弯曲变形分布如图5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回转件在各个单一载荷(转动阶段为四，扭矩T＝4.8KN.m，集中力F＝4kN)的作用下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刚度性能设计要求。
综合实施例内容，可以说明ABAQUS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，单层板性能数值
Claims (10)
1.一种复合材料回转件设计方法，其特征是：所述的设计方法通过以下步骤实现：
步骤一、根据复合材料回转件所需达到的技术参数进行初步铺层形式设计，并在建模软件中依照初步铺层形式设计建立模型；并对已完成铺层形式设计的回转件的最大切应力、临界扭转力、临界转速这三个值进行公式校核；
步骤二、使用建模软件建立复合材料回转件的初步几何模型，并保存为通用格式的模型；
步骤三、根据初步几何模型在Abaqus/CAE分析软件中导入通用格式的模型，且将几何模型分割为两部分，便于后续网格的划分及分析；
步骤四、在Abaqus/CAE分析软件中的模型属性中建立自定义的圆柱坐标系，同时在旋转轴上建立参考点；
步骤五、在Abaqus/CAE分析软件中的模型属性中对导入的通用格式模型的复合材料层的属性、区域、方向参数进行设置；
步骤六、在Abaqus/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，并与参考点关联；
步骤七、在Abaqus/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；
步骤八、在Abaqus/CAE分析软件中的网格属性中利用单元格进行网格划分，设置实例布种数值，同时创建作业文件进行求解；
步骤九、将Abaqus/CAE分析软件所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。
2.根据权利要求1所述的复合材料回转件设计方法，其特征是：步骤一所述的根据复合材料回转件所需达到的技术参数进行初步铺层形式设计的过程中，铺层形式设计为对称铺层。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤一所述的对已完成铺层形式设计的回转件的最大切应力、临界扭转力、临界转速这三个值进行公式校核的过程中，
所述的最大切应力的表达式为：式中，τxy表示最大切应力，T表示扭矩，r表示回转件内径，t表示单层复合材料层厚；
所述的临界扭转力的表达式为：式中，Tcr表示临界扭转力，L表示回转件长度，Ex表示回转件径向压缩弹性模量，Ey表示回转件轴向压缩弹性模量，t表示单层复合材料层厚，D表示回转件外径；
所述的临界转速的表达式为：式中，n表示临界转速，f表示共振频率，r表示回转件内径，L表示回转件长度，Ex表示表示综合压缩弹性模量，ρ表示密度。
4.根据权利要求3所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤二所述的建模软件为SOLIDWORKS建模软件。
5.根据权利要求1、2或4所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤二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。
6.根据权利要求5所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤四所述的参考点的个数为两个，分布位置为模型轴心线上。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤五所述的属性为复合材料单层板属性，所述区域为扇形区域，所述方向为纤维方向。
8.根据权利要求7所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤六所述耦合约束为将空心圆柱体端面上小径、大径的点集合耦合约束于所述两个参考点中的一个点。
9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤六所述的集束约束为固定边界约束。
10.根据权利要求9所述的复合材料回转件设计方法，其特征在于：步骤八所述的设置实例布种数值的值为8～12。
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| CN109670231A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-04-23 | 北航（四川）西部国际创新港科技有限公司 | 一种多级次混杂结构复合材料板簧的设计方法 |
| CN113536619A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-10-22 | 天津中德应用技术大学 | 一种碳纤维增强复合材料模压成型工艺参数优化方法 |
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| CN108595724B (zh) | 2022-01-14 |
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