CN109344424B - 一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕张力施加方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕张力施加方法，涉及有限元复合材料结构分析领域，能够通过位移加载分析结构层张力对于结构的影响，减小分析过程中变量的使用，不影响温度场的分析。本发明包括：建立复合材料层的三维单元或者二维单元；选取复合材料层界面处的点阵集合或者几何面集合；在模型中建立一个参考点；在参考点和点阵集合或者几何面集合建立coupling连接；通过反力和截面面积计算出张力施加载荷并计算出结果。

Description

一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕张力施加方法
技术领域
本发明涉及有限元复合材料结构分析领域，尤其涉及一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕张力施加方法。
背景技术
复合材料结构因为比强度高，耐腐蚀等优点已经获得越来越广泛的应用，在部分制造业领域复合材料的用量已经成为衡量制造技术水平的指标。在高压容器和身管制造领域，复合材料的应用越来越广泛。
为了研究复合材料结构层张力对于符合材料结构层的影响,现有技术中,采用温度加载模式建模分析结构层的张力,然而这种分析方法涉及的变量较多,并且加载温度时,影响了对结构层温度场的分析。
发明内容
本发明提供一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕张力施加方法，能够通过位移加载分析结构层张力对于结构的影响，减小分析过程中变量的使用，不影响温度场的分析。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕预紧力施加方法，包括：
S1、根据工件尺寸建立工件数字模型，工件数字模型至少有一个对称轴；
S2、根据对称性规则对数字模型进行切割,若工件数字模型是轴对称模型, 则沿对称轴切割为二分之一模型；若工件数字模型是中心对称模型,则沿对称轴切割为四分之一模型，得到切割后的模型；
S3、对切割后的模型进行网格划分，切割后的模型拟制为若干有限元的组合；
S4、赋予有限元单元类型和材料属性；
S5、在工件的对称截面沿对称轴剖开的截面施加对称约束，复合材料在施加缠绕张力的方向上至少有一个沿对称轴剖开的截面不施加对称约束；
S6、在施加缠绕张力的方向上，对于没有施加对称约束的截面建立参考点，对参考点和截面施加耦合约束；
S7、对参考点施加沿张力方向上的位移边界条件；
S8、对工件施加载荷，通过输出参考点的约束反力变化，获得施加载荷过程中复合材料层张力的变化。
进一步的，参考点的反力除以复合材料结构层的面积等于所施加的缠绕张力。
本发明的有益效果是：
通过位移方式施加缠绕张力可以直接基于abaqus中的模块进行建模，无需额外的子程序或者外接程序，简单易行。
建模过程中对工件进行对称分割，减少了有限元的计算量，使分析任务更加简单高效。
相对于传统设置材料收缩系数改变温度的方法，新的方法不占用分析过程中的温度变量，使分析过程效率提高，也可分析引入更多变量。
分析结果可以直接输出参考点的反力，通过简单计算可以求解出缠绕张力，使得效率更高。
实际生产过程中是采用对缠绕过程中的复合材料丝束或者带施加拉力的方法来施加缠绕张力，本方法相较于传统温度收缩法更加符合实际生产状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的流程示意图。
图2是根据几何尺寸建立复合材料身管的1/4截面草图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕预紧力施加方法，流程图如图1所示。
本实施例应用于常见的身管缠绕分析，分析内容为：身管铺层预紧应力分布分析，加载后身管应力分布。身管尺寸为一个内径10mm厚度4mm的复合材料身管，以下步骤的实施基于有限元软件abaqus。
首先根据几何尺寸建立复合材料身管的1/4截面草图，如图2所示，拉伸一定长度建立三维模型。对零件进行网格划分。对零件赋予材料属性，设环向为纤维方向。
对模型进行装配。设立边界条件，对于Z轴与X轴方向设对称约束，在Y轴方向建立参考点，设coupling约束。对参考点施加Y方向的强制位移，并输出反力。
施加载荷并计算出结果。通过反力和截面面积计算出张力。
本发明的有益效果是:
通过位移方式施加缠绕张力可以直接基于abaqus中的模块进行建模，无需额外的子程序或者外接程序，简单易行。
建模过程中对工件进行对称分割，减少了有限元的计算量，使分析任务更加简单高效。
相对于传统设置材料收缩系数改变温度的方法，新的方法不占用分析过程中的温度变量，使分析过程效率提高，也可分析引入更多变量。
分析结果可以直接输出参考点的反力，通过简单计算可以求解出缠绕张力，使得效率更高。
实际生产过程中是采用对缠绕过程中的复合材料丝束或者带施加拉力的方法来施加缠绕张力，本方法相较于传统温度收缩法更加符合实际生产状况。
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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种复合材料构件有限元分析模型中缠绕张力施加方法，其特征在于包括：
S1、根据工件尺寸建立工件数字模型,工件数字模型至少有一个对称轴；
S2、若工件数字模型是轴对称模型,则沿对称轴切割为二分之一模型,
若工件数字模型是中心对称模型,则沿对称轴切割为四分之一模型，
得到切割后的模型；
S3、对切割后的模型进行网格划分，切割后的模型拟制为若干有限元的组合；
S4、赋予有限元单元类型和材料属性；
S5、在工件沿对称轴剖开的截面施加对称约束，复合材料在施加缠绕张力的方向上至少有一个沿对称轴剖开的截面不施加对称约束;
S6、在施加缠绕张力的方向上，对于没有施加对称约束的截面建立参考点，对参考点和截面施加耦合约束；
S7、对参考点施加沿张力方向上的位移边界条件；
S8、对工件施加载荷，通过输出参考点的约束反力变化，获得施加载荷过程中复合材料层张力的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
所述参考点的反力除以复合材料结构层的面积等于所施加的缠绕张力。
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