CN110826284B - 一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模和分析方法，包括步骤：设计交织与层压混合铺层结构；生成基础层压铺层模型和基础交织铺层模型；建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型；对建立的交织和层压混合铺层复合材料层压板3D模型，进行材料属性、边界条件及加载方式设置，实现对交织和层压混合铺层复合材料层压板的力学性能的有限元分析。本发明根据铺层参数自动生成多种交织与层压混合铺层的复合材料层压板模型，可以指导不同载荷条件下复合材料层压板层间性能薄弱环节的交织铺层结构混合设计，并可以预测这种混合结构对复合材料层压板的强化效果，包括层间性能，抗弯性能和抗冲击性能等。

Description

一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模及分析方法

技术领域

本发明属于复合材料结构建模领域，特别涉及一种自动生成交织与层压混合铺层复合材料层压板3D有限元模型以及分析方法，用于预测交织铺层与层压铺层混合后对复合材料层压板的强化作用。

背景技术

纤维增强复合材料优异的力学性能主要集中在其轴向方向，而纤维与树脂之间弱的界面结合力和树脂固有的脆性，使得复合材料层压板的层间性能较差。在压缩、弯曲及冲击等载荷作用下，复合材料层压板层间容易产生裂纹并且裂纹会沿着层间扩展，导致面内强度、刚度性能的下降，甚至引起层压板整体结构的破坏。复合材料层压板层间性能差，这在很大程度上限制了复合材料在汽车、飞机、轮船等的关键部位的使用。

为了提高复合材料的层间性能，科研人员在20世纪80年代研发出了三维(3D)纺织复合材料，并随着2D纺织技术、树脂传递模塑技术、复合材料虚拟制造和考核验证技术的不断成熟，3D机织产品也随之在航空航空制件中得到广泛应用。然而，纤维编织会额外引入纤维褶皱和弯曲，抗剪能力受到纱线交织点之间的摩擦力的限制等问题，降低了整个复合材料的力学性能。

实验证明将传统的2D铺层结构发展到2.5D交织铺层结构能够大幅度提高复合材料的层间性能与抗冲击强度。此外，交织铺层是在自动铺丝铺带技术上发展起来的一种新型工艺，该工艺通过铺层交错铺放实现不同方向的铺层在空间的交织，使每层有两种以上不同方向的铺层，在厚度方向实现纤维增强，显著提高复合材料的抗分层能力，因此其在航空发动机的冷端风扇叶片、包容机匣等结构上有着广阔的应用前景。

然而，交织铺层结构虽然可以显著提高铺层复合材料的面外性能，但却降低了复合材料的面内性能，特别是面内压缩性能。因此在如何实现复合材料铺层结构层间性能强化的基础上，保证其面内性能不降低是目前急需并涵待解决的问题。此外，交织铺层的纤维带带宽、纤维带间隔、铺层厚度、铺层顺序、交织位置等都会对铺层性能产生影响。同时，交织铺层的性能测试试件在铺层大板不同的位置所得到的性能也会有一定差别，这对复合材料铺层结构的有限元建模和分析技术也提出了新的挑战。

发明内容

为此，本发明在考虑铺层参数和细节结构影响的基础上，采用参数化建模工具自动生成新型高性能铺层复合材料层压板模型，指导不同载荷条件下复合材料层压板层间性能薄弱环节的交织铺层结构混合设计，并预测这种混合结构对复合材料层压板的强化效果，包括层间性能，抗弯性能和抗冲击性能等。

本发明提供了一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模和分析方法，包括步骤：

S1：设计交织与层压混合铺层结构

S11：根据载荷和工况，设计复合材料层压板中的交织铺层的铺放位置和交织方式，以及交织铺层和层压铺层的混合比例；

S12：根据复合材料层压板的厚度要求，设计交织铺层和层压铺层各自的铺层角度、铺层数量和铺层顺序，以及交织铺层中纤维带带宽和纤维带间隔等参数；

S2：基于步骤S1中设计的交织与层压混合铺层结构，分别生成基础层压铺层模型和基础交织铺层模型

S21：建立网格单胞单元并根据铺层角度参数化网格单胞单元，分别建立具有不同铺层角度的层压铺层单层网格单元和交织铺层单层网格单元；

S22：基于步骤S21中创建的层压铺层单层网格单元,在输入文件中输入每根纤维带的长、宽和相对几何位置等参数，生成基础层压铺层模型，所述基础层压铺层模型的数量与层压铺层的铺层角度的数量对应；

S23：基于步骤S21中创建的交织铺层单层网格单元，并根据步骤S1中所设计的交织铺层的铺放位置和铺层角度以及纤维带带宽和纤维带间隔等参数，生成具有不同交织类型的基础交织铺层模型；

S3：根据步骤S1中设计的铺层结构排列组合基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型；

S4：对建立的交织和层压混合铺层复合材料层压板3D模型，进行材料属性、边界条件及加载方式设置，实现对交织和层压混合铺层复合材料层压板的力学性能的有限元分析。

在一些实施方式中，可以将交织铺层布置在复合材料层压板的层间性能薄弱位置，将层压铺层布置在承担面内载荷的位置。

在一些实施方式中，基础交织铺层模型的交织类型可以包括全部通过对间隔铺层进行填补形成连续交织层，不同铺层角度的间隔铺层与填补铺层在空间上铺平整个结构，形成连续交织铺层结构，并且铺层角度和铺层顺序匹配，实现基础交织铺层模型的厚度均匀。

在一些实施方式中，步骤S23中，基础交织铺层模型的交织类型可以包括通过连续的复合材料单层将间隔铺层与填补铺层交织起来，形成厚度均匀的交织铺层结构，并与层压铺层进行混合。

在一些实施方式中，步骤S3可以包括将基础层压铺层模型和基础交织铺层模型按照铺层角度进行归类，然后按照铺层结构设计排列组合基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，叠合多种铺层结构建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。

在一些实施方式中，所述交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型可以包括单向或多向复合材料层压板3D模型、交织铺层复合材料层压板3D模型和交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。

进一步，步骤S4中，对所建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型中的每根纤维带和各个铺层进行材料属性设置，实现多向层压板、单向层压板、交织铺层、混杂纤维铺层中的一种或任意组合的多种形式混合的复合材料层压板结构。

进一步，步骤S4具体过程如下：

S41：对建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型的边界和加载条件、运行控制条件进行设置；

S42：运行交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型，获取对应的应力-应变曲线和损伤云图；

S43：结合梁、经典层压板理论，以及实验测试结果，对步骤S42中的仿真结果进行有效性和误差评价。

本发明的有益效果：

1)现有的交织铺层复合材料层压板模型多为2D模型，且用商业软件不具备自动生成交织与层压混合铺层复合材料3D结构的功能，本发明在考虑铺层参数和细节结构影响的基础上，采用参数化建模工具自动生成新型高性能铺层复合材料层压板模型，通过多种交织和层压混合铺层方式提高复合材料结构的抗分层和损伤能力，从而进一步推广和扩展复合材料结构的模拟手段和应用空间。

2)本发明通过参数化建模和有限元分析方法能对比多种铺层结构的力学性能，找出力学性能较佳或最优的铺层复合材料结构以及交织铺层与层压板铺层的混合方式，降低科研成本。

附图说明

图1(a)-(d)为本发明实施例采用参数化自动建模工具自动生成复合材料层压板3D模型的参数文件；

图2为本发明实施例参数化自动建模工具中生成模型文件的程序编译软件示意图。

图3为本发明的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型建模及分析方法流程图；

图4为本发明一实施例的基础交织铺层模型的交织方式示意图；

图5为本发明另一实施例的基础交织铺层模型的交织方式示意图；

图6为本发明的一实施例的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型的分解示意图；

图7为本发明的一实施例的交织与层压混合铺层复合材料层压板的结构组合设计示意图；

图8为本发明的另一实施例的交织与层压混合铺层复合材料层压板的结构组合设计示意图；

图9为本发明的又一实施例的交织与层压混合铺层复合材料层压板的结构组合设计示意图；

图10为本发明的一实施例的交织与层压混合铺层复合材料层压板在弯曲载荷作用下的力学性能图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明采用参数化自动建模工具自动生成复合材料层压板的LS-Dyna数据格式的有限元模型，其中所采用的参数化自动建模工具包括三大功能块：模型网格生成工具包、模型生成工具包和性能预测工具包。本发明中的模型参数可以导出成其他格式的文件，同时与其他网格划分、有限计算和后处理软件进行接口，比如HYPERMESH，ABAQUS和ANSYS等。用户首先输入网格尺寸、模型大小、铺层厚度、铺层顺序、纤维带宽、铺层位置等参数到txt文件中；发明中的模型参数可以导出成其他格式的文件，同时与其他网格划分、有限计算和后处理软件进行接口，比如HYPERMESH,ABAQUS和ANSYS等。用户首先在txt文件中输入网格尺寸、模型大小、铺层厚度、铺层顺序、纤维带带宽、铺层位置等参数，如图1(a)所示；然后依次运行模型网格生成工具包和模型生成工具包中的子程序，生成所需的网格和模型参数文件，即Key文件，主要包括节点和单元坐标等信息，图1(b)示出了网格单元参数，图1(c)示出了层压板模型的参数文件，图1(d)示出了最终生成的模型Key文件；进一步，可将模型文件导入LS-Dyna软件中进行材料参数，加载边界和运行条件等设置，或通过更改关键字进行设置和修改；最后在LS-Dyna求解器中提交计算，对模型的力学性能进行预测。本实施例中所有的子程序都是在Fortran语言环境下(对应软件为Microsoft visual studio)进行编译和运行计算，生成的网格单元和复合材料层压板模型文件的程序和软件如图2所示。在Fortran编译环境中运行自动建模工具中建立模型的子程序，将生成的预置层内界面层单元的基础层压板逐层输出为例如LS-Dyna、Abaqus、Ansys等建模软件的可读入文件，例如key文件、inp文件或者nastran文件，本实施例主要以LS-Dyna可读入的key文件为例。

如图3所示，本发明实施例提供的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D建模及分析方法包括如下步骤：

其中，步骤S1之后的每一步骤均采用编辑和运行子程序的方式实现。

S1：设计交织与层压混合铺层结构

S11：根据载荷和工况，设计交织铺层和层压铺层在复合材料层压板中的铺层位置和混合比例。已知不同载荷作用下的复合材料层压板层间性能的薄弱位置不同，分层损伤易发生的位置不同，因此要根据具体情况设计混合铺层复合材料层压板中交织铺层的混合位置、交织方式以及铺层数量等。例如在弯曲载荷作用下，优选地将交织铺层混合在层压铺层中间，以提高中间层的抗分层能力，同时发挥单向层压铺层的较强的抗拉压性能。又例如在冲击、剪切等其他载荷作用下，优选地将交织铺层放置在复合材料层压板的层间性能薄弱位置，而主要承担面内载荷的位置布置层压铺层。

S12：根据复合材料层压板的厚度要求，设计纤维带带宽；层压铺层的铺层角度和铺层数量；交织铺层的铺层角度、铺层数量、交织方式以及纤维带带宽等参数，以保证交织铺层整体厚度均一。

S2：基于步骤S1中设计的交织与层压混合铺层结构，生成基础层压铺层模型和基础交织铺层模型

S21：建立网格单胞单元，并根据所设计的层压铺层和交织铺层两者的铺层角度参数化所述网格单胞单元，分别建立具有不同铺层角度的层压铺层单层网格单元和交织铺层单层网格单元。

S22：基于创建的层压铺层单层网格单元和所设计的纤维带带宽,在输入文件中输入每根纤维带的长、宽和相对几何位置等参数，特别地，所生成的基础层压铺层模型的数量与所设计的层压铺层的铺层角度的数量对应。

S23：基于创建的交织铺层单层网格单元，并根据所设计的交织铺层的铺放位置、铺层角度以及纤维带带宽和纤维带间隔等参数，生成具有不同交织类型的基础交织铺层模型。在一些实施方式中，可以通过对间隔铺层进行填补形成连续交织铺层结构，实现厚度均匀(如图5所示结构)。如在图4所示示例中，下表面为90°间隔层，上表面为90°填补层，中间为将间隔层和填补层交织起来的0°单向连续铺层，三层为一个等厚度单元，可以无限在厚度方向进行周期铺设，或者中间混合其他铺层。在一些实施方式中，可以将不同角度的间隔层与填补层进行混合铺层来形成交织铺层结构，此时铺层角度和铺层顺序需要进行匹配以保证形成等厚度交织铺层。较佳的实施例之一为[45/90/-45/0]_2s，如图5所示，45°间隔层和其填补层中间依次铺设角度旋转45°后的交织层形成厚度方向四向四交叉的复合材料层合板。在另一些实施方式中，还可以按照一定规律交叉铺设其他角度的铺层。

S3：建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型

S31：根据所设计的交织与层压混合铺层结构排列组合所生成的基础层压铺层模型和基础交织铺层模型文件，结合层压板的几何参数等信息的txt格式文件，建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。特别地，为方便建模，可以在建模前，先将所生成的基础层压铺层模型和基础交织铺层模型按照铺层角度进行归类，然后按照铺层结构设计要求排列组合这些基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，基础铺层模型可以反复调用，最终叠合成所期望的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型，如图6所示。应该理解，按照一定的比例和铺层顺序匹配和叠合基础交织铺层模型和基础层压铺层混合结构模型之外，还可以分别建立单向或多向复合材料层压板3D模型和交织铺层复合材料层压板3D模型。

S32：设置交织铺层中纤维带材料属性不同，可以得到层内混杂复合材料；设置层压铺层中纤维带材料属性不同，可以得到层间混杂复合材料；将两者材料属性设置方式混合，可以得到多种混杂方式和混杂体系的混杂纤维铺层复合材料层压板。对所建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型中的纤维带和铺层进行材料属性设置，实现多向层压板、单向层压板、交织铺层、混杂纤维铺层等一种或任意组合的多种形式混合的复合材料层压板结构。图7-9示出了三种交织与层压混合铺层复合材料层压板的结构组合设计示意图。

S4：对建立的交织和层压混合铺层复合材料层压板3D模型，进行边界条件及加载方式设置，实现对交织和层压混合铺层复合材料层压板的力学性能的有限元分析。具体过程如下：

S41：将参数化建模工具生成的模型文件导入有限元求解软件中，对建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型的边界和加载条件、运行控制条件进行设置，或者直接通过改变模型Key文件中的关键字进行设置。在一些实施方式中，边界条件可以包括简支梁，悬臂梁等，载荷条件可以包括单轴拉伸，单轴压缩，三点弯，冲击载荷等，运行控制条件可以包括静态分析和动态分析等。

S42：运行交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型，获取对应的应力-应变曲线和损伤云图。图10示出了本发明的一实施例的交织与层压混合铺层复合材料层压板在弯曲载荷作用下的力学性能图，从图中的弯曲力-位移曲线可以明显看出，交织铺层层间混杂在多向铺层层压板中间之后，其最终失效载荷和失效位移比多向层合板和纯交织铺层层压板的性能强。因此，交织铺层与多向铺层混合设计对不同工况下的复合材料结构的性能提升具有很大的促进作用，有广阔的设计和研究空间。

S43：结合梁、经典层压板理论，以及实验测试结果，对步骤S42中的仿真结果进行有效性和误差评价。

本发明步骤S1的设计结果通过步骤S3建立的模型结果进行判断和调控，如果在步骤S3得到不均匀的层压板模型，则返回步骤S1重新设计和建模，直到实现模型的厚度均匀，交织位置合理等需求，然后再进行下一步性能预测。这种通过虚拟技术预先对层压板结构进行建模，能够指导和优化结构，并进一步指导实验设计，节省实验成本，提高实验效率。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的上述实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模和分析方法，其特征在于，包括步骤：

S1：设计交织与层压混合铺层结构

S11：根据载荷和工况，设计复合材料层压板中的交织铺层的铺放位置和交织方式，以及交织铺层和层压铺层的混合比例；

S12：根据复合材料层压板的厚度要求，设计交织铺层和层压铺层各自的铺层角度、铺层数量和铺层顺序，以及交织铺层中纤维带带宽和纤维带间隔；

S2：基于步骤S1中设计的交织与层压混合铺层结构，分别生成基础层压铺层模型和基础交织铺层模型

S21：建立网格单胞单元并根据铺层角度参数化网格单胞单元，分别建立具有不同铺层角度的层压铺层单层网格单元和交织铺层单层网格单元；

S22：基于步骤S21中创建的层压铺层单层网格单元，在输入文件中输入每根纤维带的长、宽和相对几何位置，生成基础层压铺层模型，所述基础层压铺层模型的数量与层压铺层的铺层角度的数量对应；

S23：基于步骤S21中创建的交织铺层单层网格单元，并根据步骤S1中所设计的交织铺层的铺放位置和铺层角度以及纤维带带宽和纤维带间隔，生成具有不同交织类型的基础交织铺层模型；

S3：根据步骤S1中设计的铺层结构排列组合基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型；

S4：对建立的交织和层压混合铺层复合材料层压板3D模型，进行材料属性、边界条件及加载方式设置，实现对交织和层压混合铺层复合材料层压板的力学性能的有限元分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S11中，将交织铺层布置在复合材料层压板的层间性能薄弱位置，将层压铺层布置在承担面内载荷的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S23中，基础交织铺层模型的交织类型包括全部通过对间隔铺层进行填补形成连续交织层，不同铺层角度的间隔铺层与填补铺层在空间上铺平整个结构，形成连续交织铺层结构，并且铺层角度和铺层顺序匹配，实现基础交织铺层模型的厚度均匀。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S23中，基础交织铺层模型的交织类型包括通过连续的复合材料单层将间隔铺层与填补铺层交织起来，形成厚度均匀的基础交织铺层模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3包括将基础层压铺层模型和基础交织铺层模型按照铺层角度进行归类，然后按照铺层结构设计排列组合基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，叠合建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型包括单向或多向复合材料层压板3D模型、交织铺层复合材料层压板3D模型和交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，对所建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型中的每根纤维带和各个铺层进行材料属性设置，实现多向层压板、单向层压板、交织铺层、混杂纤维铺层中的一种或任意组合的多种形式混合的复合材料层压板结构。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4具体过程如下：

S41：将参数化建模工具生成的模型文件导入有限元求解软件中，对建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型的边界和加载条件、运行控制条件进行设置；

S42：运行交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型，获取对应的应力-应变曲线和损伤云图；

S43：结合梁、经典层压板理论，以及实验测试结果，对步骤S42中的仿真结果进行有效性和误差评价。

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