CN110047563A - 一种复合材料雷击损伤模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种复合材料雷击损伤模拟方法及装置，其中方法包括：建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型；偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型；对所述复合材料设置与热‑电‑结构耦合相关的性能参数与边界条件；根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。解决了目前缺乏雷击仿真模拟的问题，可用于仿真模拟复合材料在雷击后材料性能产生的变化，避免了真实的雷击试验测试，降低了成本和测试周期。

Description

一种复合材料雷击损伤模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体而言，涉及一种复合材料雷击损伤模拟方法及装置。

背景技术

航空复合材料的应用大大提高了飞行器的整体性能，包括强度性能、疲劳性能等，且在性能提高的同时飞行器也得到了轻量化，降低了能源消耗及飞行成本。但是复合材料的内部或表面的损伤，极易导致材料结构强度及刚度的极大退化。雷击是造成损伤的主要原因之一，当雷击后强大的电流击中复合材料产生热量温度在短时间内急剧升高，造成材料局部强度退化，甚至烧透、击穿。

目前，新飞机的研制，雷击损伤已经被列为一项标准进行评估，包括MIL，SAE或者IEC等标准，但大量的材料性能通过真实的雷击试验测试成本非常高且周期长，难以达到检测的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种复合材料雷击损伤模拟方法及装置，解决了目前缺乏雷击仿真模拟的问题，可用于仿真模拟复合材料在雷击后材料性能产生的变化，避免了真实的雷击试验测试，降低了成本和测试周期。

第一方面，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：

一种复合材料雷击损伤模拟方法，包括：

建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型；偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型；对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件；根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。

优选地，所述性能参数包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的正交各项异性热传导系数、密度、弹性模量、电导系数、线膨胀系数及比热容。

优选地，所述边界条件包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的集中电流、电势、位移控制、初始温度、热交换系数及辐射系数。

优选地，所述方法在软件ABAQUS中进行应用。

优选地，所述根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果，包括：

根据所述性能参数，设计用于计算热解度的用户子程序，其中所述热解度表示所述复合材料的性能衰减程度；根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得仿真模型；根据所述仿真模型与所述用户子程序进行模拟计算，获得所述模拟结果。

优选地，所述偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型，包括：

通过软件ABAQUS中的mesh模块的mesh编辑功能，偏置二维网格得到包含三维网格的航空复合材料模型；其中，偏置的二维网格中的单元类型为Q3DR。

优选地，所述二维几何模型为以模拟的雷击点为中心的四分之一模型。

第二方面，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：

一种复合材料雷击损伤模拟装置，包括：

网格化模块，用于建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型；偏置模块，用于偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型；参数设置模块，用于对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件；计算模块，根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。

优选地，所述性能参数包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的正交各项异性热传导系数、密度、弹性模量、电导系数、线膨胀系数及比热容。

优选地，所述边界条件包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的集中电流、电势、位移控制、初始温度、热交换系数及辐射系数。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供的一种复合材料雷击损伤模拟方法及装置，其中方法包括：建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型；偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型；对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件；根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。其中，复合材料的性能参数与热-电-结构耦合相关，以此考虑到不同情况下的材料性能变化；同时通过三维网格的划分可很好模拟了航空复合材料在雷击过程中各方面的状态。因此，本发明解决了目前缺乏雷击仿真模拟的问题，可用于仿真模拟复合材料在雷击后材料性能产生的变化，避免了真实的雷击试验测试，降低了成本和测试周期。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法的流程图；

图2为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法中的二维网格划分的示意图；

图3为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法中的三维网格划分的示意图；

图4为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法中的模拟结果中的一示例性的温度结果示意图；

图5为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法中的模拟结果中的一示例性的损伤结果示意图；

图6为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法中的模拟结果中的一示例性的热解度-时间曲线图；

图7为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法中的模拟结果中的一示例性的温度时间曲线图；

图8为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟方法中的模拟结果中的一示例性的应力-时间曲线图；

图9为本发明较佳实施例提供的复合材料雷击损伤模拟装置的功能模块框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，在本发明实施例中提供一种复合材料雷击损伤模拟方法。具体的，该方法包括以下步骤：

步骤S10：建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型。

步骤S20：偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型。

步骤S30：对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件。

步骤S40：根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。

需要说明的是，本发明中的方法执行可以依托软件ABAQUS(一种有限元仿真模拟软件)进行，也可以是同类型或功能大致类似的软件，也可以是基于本发明的方法开发的模拟软件，不作限制。在本发明中以有限元软件ABAQUS为例进行具体说明。

在步骤S10中，复合材料的二维几何模型可通过有限元软件ABAQUS中的CAE模块建立，同时可通过CAE模块对二维几何模型进行划分获得包含二维网格的几何模型，如图2所示。

在较优选的实施例中，雷击中心可理解为复合材料的中心对称点。因此在进行具体仿真模拟的过程中的二维几何模型可为以模拟的雷击点为中心的四分之一模型，如图2所示。

在步骤S20中，可采用有限元软件ABAQUS的mesh模块的mesh编辑功能进行。具体的，对网格划分时建立的平面单元偏置，通过单元偏置功能建立包含三维网格的几何模型。其中，单元类型选取减缩积分单元Q3D8R。

该三维网格模型为三维多层复合材料网格模型如图3所示，图3示出了三维网格模型的示意图以及A处结构的放大示意图。

在步骤S30中，设置性能参数与边界条件时，可通材料模块进行添加，根据进行仿真的航空复合材料的类型不同，或使用部位不同可进行不同的设置。具体的，其中性能参数可包括以下任意一种或多种：

复合材料的正交各项异性热传导系数、密度、弹性模量、电导系数、线膨胀系数及比热容。

此外，在有限元软件ABAQUS中，性能参数还应当含有有限元程序计算所需的状态变量及子程序接口设置。

边界条件可包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的集中电流、电势、位移控制、初始温度、热交换系数及辐射系数。

在本实施例中，由于涉及到热-电-结构耦合，因此分析步可选择Coupledthermal-electrical-structural。

在步骤S40中，具体包括如下的子步骤：

1、根据所述性能参数，设计用于计算热解度的用户子程序，其中所述热解度表示所述复合材料的性能衰减程度；其中，用户子程序可根据复合材料的性能参数，以及需要模拟的雷击工况进行编程。例如：

在本实施例中用户子程序为USDFLD子程序，通过USDFLD子程序实现场变量、热解度以及单元损伤的定义，编程语言为FORTRAN。USDFLD子程序的实现，在本实施例中提供一具体的实施方式，代码语句如下：

该语句块的作用是通过不同的分析步编号来控制3号场变量值，配合复合材料性能参数依场变量变化的特性，从而达到改变复合材料的性能参数。

call getvrm('TEMP',array,jarray,flgray,jrcd,jmac,jmtyp,matlayo,laccflg)

temp＝array(1)

该语句的作用是从计算结果中读取上一步计算的单元温度。

STATEV(1)＝

1-((1-STATEV(1))**(1-SSN)+(SSN-ONE)*SSA*exp(-SSQ/(SSR*(temp)))*DTIME)**(ONE/(ONE-SSN))

该语句的作用是利用上一步计算的单元温度求解单元热解度。

field(1)＝STATEV(1)

该语句的作用是将计算后的热解度赋值给1号场变量值，从而配合复合材料性能参数依场变量变化的特性，达到改变复合材料的性能。

该语句的作用是将计算后热解度值大于0.999(其中，参数0.999可根据实际情况进行合理调整)的单元的状态变量赋值为1，认为该单元失效，同时赋值给2号场变量值，配合复合材料性能参数依场变量变化的特性，达到改变复合材料的性能。

其中，采用了热-电-结构耦合的算法，考虑了不同工况下材料性能的变化，且避免了编译航空复合材料复杂的本构材料子程序(UMAT)，而是应用更为简单的场变量用户子程序(USDFLD)。通过引入热解度与损伤的关系，全面的计算了航空复合材料在雷击过程中由于温度急剧升高引起的材料多方面，包括刚度、温度等性能衰减的过程，很好的模拟了航空复合材料在雷击过程中各方面的状态。

2、根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得仿真模型；即可对仿真模型进行仿真计算。

3、根据所述仿真模型与所述用户子程序进行模拟计算，获得所述模拟结果。在本实施例中，其中模拟结果具体包括但不限于以下的任意一种或多种：温度结果，如图4所示；损伤结果，如图5所示；热解度-时间曲线，如图6所示；温度时间曲线，如图7所示；应力-时间曲线，如图8所示；需要说明的是图4至图8仅仅是本实施例的一示例性的结果。通过上述模拟结果，可将复合材料在遭受雷击后的各方面属性准确的进行展现，清楚的了解复合材料的性能变化。

综上所述：

本发明提供的一种复合材料雷击损伤模拟方法：建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型；偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型；对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件；根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。其中，复合材料的性能参数与热-电-结构耦合相关，以此考虑到不同情况下的材料性能变化；同时通过三维网格的划分可很好模拟了航空复合材料在雷击过程中各方面的状态。因此，本发明解决了目前缺乏雷击仿真模拟的问题，可用于仿真模拟复合材料在雷击后材料性能产生的变化，避免了真实的雷击试验测试，降低了成本和测试周期，适合大规模推广使用。

请参阅图9，基于同一发明构思，本申请的另一实施例还提供一种复合材料雷击损伤模拟装置600。该装置包括：网格化模块601、偏置模块602、参数设置模块603和计算模块604。

具体的：

网格化模块601，用于建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型。

偏置模块602，用于偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型。

参数设置模块603，用于对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件。

计算模块604，根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。

作为一种可选的实施方式，所述性能参数包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的正交各项异性热传导系数、密度、弹性模量、电导系数、线膨胀系数及比热容。

作为一种可选的实施方式，所述边界条件包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的集中电流、电势、位移控制、初始温度、热交换系数及辐射系数。

作为一种可选的实施方式，所述方法在软件ABAQUS中进行应用。

作为一种可选的实施方式，所述计算模块604，具体用于：

根据所述性能参数，设计用于计算热解度的用户子程序，其中所述热解度表示所述复合材料的性能衰减程度；根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得仿真模型；根据所述仿真模型与所述用户子程序进行模拟计算，获得所述模拟结果。

作为一种可选的实施方式，所述偏置模块602，具体用于：

通过软件ABAQUS中的mesh模块的mesh编辑功能，偏置二维网格得到包含三维网格的航空复合材料模型；其中，偏置的二维网格中的单元类型为Q3DR。

作为一种可选的实施方式，所述二维几何模型为以模拟的雷击点为中心的四分之一模型。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

本发明中的所述方法功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种复合材料雷击损伤模拟方法，其特征在于，包括：

建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型；

偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型；

对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件；

根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述性能参数包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的正交各项异性热传导系数、密度、弹性模量、电导系数、线膨胀系数及比热容。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界条件包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的集中电流、电势、位移控制、初始温度、热交换系数及辐射系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在软件ABAQUS中进行应用。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果，包括：

根据所述性能参数，设计用于计算热解度的用户子程序，其中所述热解度表示所述复合材料的性能衰减程度；

根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得仿真模型；

根据所述仿真模型与所述用户子程序进行模拟计算，获得所述模拟结果。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型，包括：

通过软件ABAQUS中的mesh模块的mesh编辑功能，偏置二维网格得到包含三维网格的航空复合材料模型；其中，偏置的二维网格中的单元类型为Q3DR。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维几何模型为以模拟的雷击点为中心的四分之一模型。

8.一种复合材料雷击损伤模拟装置，其特征在于，包括：

网格化模块，用于建立复合材料的二维几何模型，并对所述几何模型进行网格划分，获得包含二维网格的几何模型；

偏置模块，用于偏置所述二维网格，获得包含三维网格的几何模型；

参数设置模块，用于对所述复合材料设置与热-电-结构耦合相关的性能参数与边界条件；

计算模块，根据所述包含三维网格的几何模型、所述性能参数与所述边界条件，获得表征所述复合材料性能变化的模拟结果。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述性能参数包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的正交各项异性热传导系数、密度、弹性模量、电导系数、线膨胀系数及比热容。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述边界条件包括以下任意一种或多种：

所述复合材料的集中电流、电势、位移控制、初始温度、热交换系数及辐射系数。