CN111259516A - 一种基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法 - Google Patents
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Abstract
基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法：选取复合材料预制体材料并参数设置；对复合材料铺覆模具的几何模型粒子离散得到离散颗粒，确定离散颗粒的初始位置、影响域；用再生核粒子算法构造离散颗粒的形函数，据形函数和影响域内离散颗粒位移构造全场位移场函数；用边界转化方法对位移场函数边界处理，联立动量方程、几何方程、物理方程及边界条件构造等效积分弱形式方程；位移场函数带入等效积分弱形式方程求解得到刚度矩阵，获得质量和阻尼矩阵；施加外力、刚度、质量和阻尼矩阵代入中心差分法递推公式求解获得离散颗粒不同时刻位移，将不同时刻位移代入等效积分弱形式方程中得到复合材料预制体在复合材料铺覆模具的型面上的铺覆结果。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料分析领域，特别涉及一种基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法。
背景技术
目前，越来越多的复合材料结构件被应用到飞机、导弹等航天器上。相比传统金属、非金属材料，复合材料具有高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳以及包括材料可设计性在内等诸多独特的性能，使得复合材料的研究与应用愈发受到人们的重视。
国内大多采用传统的复合材料构件制造方式，即手工为主，采用手工下料、手工定位、手工铺覆等。传统的复合材料构件加工方式成本高，质量控制点多，精度低，配合协调性差，一旦出现加工上的缺陷，只能重新再加工，严重浪费成本且大大增加了生产周期，同时对工人的经验要求很高。目前解决这些问题的唯一途径，是在外形设计阶段通过对复合材料的铺覆性进行分析，在早期就及时对铺覆性较差的构件重新进行设计，可大大节约复合材料的研究制造成本并加快整个设计周期。
当前复合材料铺覆性分析广泛应用的方法是映射法。映射方法将变形成型看成一个几何变换的过程，原始扁平的复合材料片材被映射到模具的型面上。映射方法受纤维不能伸长这一基本的假设支配，计算在本质上是纯几何的。这种方法对于复杂模具型面，预制体能够发生复合材料预制件成型所需要的任意大的剪切，但是试验表明，当出现非常大的剪切时预制体会产生成型缺陷，这表明映射法对于复杂型面，复合材料预制件铺覆性无法进行分析。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，可以更加真实准确的对复合材料在模具上的铺覆性进行分析。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，其特点在于，其包括以下步骤：
S1、构建复合材料铺覆模具的几何模型；
S2、根据复合材料预制体的形式选取目标复合材料预制体材料，对目标复合材料预制体的材料参数进行设置；
S3、对复合材料铺覆模具的几何模型进行粒子离散以得到离散颗粒，并确定离散颗粒的初始位置、影响域和影响域半径；
S4、利用再生核粒子算法构造影响域内离散颗粒的形函数，根据离散颗粒的位置和影响域半径，利用形函数和影响域内离散颗粒的位移构造全场位移场函数；
S5、利用边界转化方法对全场位移场函数进行边界处理，以消除边界不一致性引起的误差，联立动量方程、几何方程、物理方程及边界条件构造动量方程的等效积分弱形式方程；
S6、将边界处理后的全场位移场函数带入等效积分弱形式方程中求解得到影响域的刚度矩阵，各离散颗粒的质量特性转换与集成得到影响域的质量矩阵，各离散颗粒的阻尼特性转换与集成得到影响域的阻尼矩阵；
S7、将刚度矩阵、施加的外力、质量矩阵和阻尼矩阵代入中心差分法递推公式中进行代数求解获得离散颗粒不同时刻的位移，将不同时刻的位移代入等效积分弱形式方程中得到复合材料预制体在复合材料铺覆模具的型面上的铺覆结果。
较佳地，中心差分法的递推公式：
若t与t-Δt时刻的位移已知，则可以进一步求解出t+Δt时刻的位移，M、C和K分别代表影响域的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Ft是t时刻外力和。
较佳地，所述复合材料预制体的形式包括但不限于预浸料、单向布、平纹布、斜纹布和缎纹布。
较佳地，所述复合材料预制体的材料参数包括但不限于密度、厚度、单位面积成本、剪切模量、拉伸模量、压缩模量和剪切自锁角度。
较佳地，所述复合材料预制体的铺覆性分析结果包括但不限于形变、应力、纤维方向、厚度、褶皱和架桥。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明打破映射法复合材料预制件纤维方向不能变形的假设，不仅可以为非延伸性复合材料预制件进行铺覆性分析，还可以为延伸性膜片复合材料预制件进行铺覆性分析。由于对模具型面进行了粒子离散，对任意复杂模具型面都可以准确的进行复合材料预制体铺覆性分析。铺覆性分析考虑了预制体变形及应力的分析，可以对预制件纤维方向、厚度、横向拉伸、铺层间的滑移和应力传递结果等进行输出。
附图说明
图1是复合材料铺覆性分析方法的流程示意图；
图2是模具几何模型离散示意图；
图3是平纹布铺覆性分析结果示意图；
图4是单向布铺覆性分析结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
如图1所示，本实施例提供一种基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，其包括以下步骤：
步骤101、构建复合材料铺覆模具的几何模型。
步骤102、根据复合材料预制体的形式选取目标复合材料预制体材料，对目标复合材料预制体的材料参数进行设置。
其中，所述复合材料预制体的形式包括但不限于预浸料、单向布、平纹布、斜纹布和缎纹布。
所述复合材料预制体的材料参数包括但不限于密度、厚度、单位面积成本、剪切模量、拉伸模量、压缩模量和剪切自锁角度。
步骤103、对复合材料铺覆模具的几何模型进行粒子离散以得到离散颗粒(见图2)，并确定离散颗粒的初始位置、影响域和影响域半径。
步骤104、利用再生核粒子算法构造影响域内离散颗粒的形函数，根据离散颗粒的位置和影响域半径，利用形函数和影响域内离散颗粒的位移构造全场位移场函数。
步骤105、利用边界转化方法对全场位移场函数进行边界处理，以消除边界不一致性引起的误差，联立动量方程、几何方程、物理方程及边界条件构造动量方程的等效积分弱形式方程。
步骤106、将边界处理后的全场位移场函数带入等效积分弱形式方程中求解得到影响域的刚度矩阵，各离散颗粒的质量特性转换与集成得到影响域的质量矩阵，各离散颗粒的阻尼特性转换与集成得到影响域的阻尼矩阵。
步骤107、将刚度矩阵、施加的外力、质量矩阵和阻尼矩阵代入中心差分法递推公式中进行代数求解获得离散颗粒不同时刻的位移，将不同时刻的位移代入等效积分弱形式方程中得到复合材料预制体在复合材料铺覆模具的型面上的铺覆结果。
其中，中心差分法的递推公式：
若t与t-Δt时刻的位移已知，则可以进一步求解出t+Δt时刻的位移，M、C和K分别代表影响域的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Ft是t时刻外力和。
所述复合材料预制体的铺覆性分析结果包括但不限于形变、应力、纤维方向、厚度、褶皱和架桥。如图3和图4分别展示了平纹布和单向布在模具型面上的铺覆性结果。
再生核粒子算法作为先进的无网格算法被引入到结构仿真计算中，其具有基于网格的有限元法所不具备的优点，可以对任意复杂的几何模型进行快速前处理，可以大大节省复杂几何模型进行前处理的时间，没有网格尺寸和质量的牵制，非常适合于大变形结构工程问题计算，求解精度和效率也到了最大程度的保障。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、构建复合材料铺覆模具的几何模型；
S2、根据复合材料预制体的形式选取目标复合材料预制体材料，对目标复合材料预制体的材料参数进行设置；
S3、对复合材料铺覆模具的几何模型进行粒子离散以得到离散颗粒，并确定离散颗粒的初始位置、影响域和影响域半径；
S4、利用再生核粒子算法构造影响域内离散颗粒的形函数，根据离散颗粒的位置和影响域半径，利用形函数和影响域内离散颗粒的位移构造全场位移场函数；
S5、利用边界转化方法对全场位移场函数进行边界处理，以消除边界不一致性引起的误差，联立动量方程、几何方程、物理方程及边界条件构造动量方程的等效积分弱形式方程；
S6、将边界处理后的全场位移场函数带入等效积分弱形式方程中求解得到影响域的刚度矩阵，各离散颗粒的质量特性转换与集成得到影响域的质量矩阵，各离散颗粒的阻尼特性转换与集成得到影响域的阻尼矩阵；
S7、将刚度矩阵、施加的外力、质量矩阵和阻尼矩阵代入中心差分法递推公式中进行代数求解获得离散颗粒不同时刻的位移，将不同时刻的位移代入等效积分弱形式方程中得到复合材料预制体在复合材料铺覆模具的型面上的铺覆结果。
2.如权利要求1所述的基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，其特征在于，中心差分法的递推公式：
若t与t-Δt时刻的位移已知，则可以进一步求解出t+Δt时刻的位移，M、C和K分别代表影响域的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Ft是t时刻外力和。
3.如权利要求1所述的基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，其特征在于，所述复合材料预制体的形式包括但不限于预浸料、单向布、平纹布、斜纹布和缎纹布。
4.如权利要求1所述的基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，其特征在于，所述复合材料预制体的材料参数包括但不限于密度、厚度、单位面积成本、剪切模量、拉伸模量、压缩模量和剪切自锁角度。
5.如权利要求1所述的基于再生核粒子算法的复合材料铺覆性分析方法，其特征在于，所述复合材料预制体的铺覆性分析结果包括但不限于形变、应力、纤维方向、厚度、褶皱和架桥。
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| CN106845021A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-06-13 | 湘潭大学 | 基于无网格rkpm的各向异性材料热结构拓扑优化方法 |
| CN109657408A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-04-19 | 上海索辰信息科技有限公司 | 一种再生核粒子算法实现结构线性静力学仿真方法 |
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| 王涛: "复合材料构件纤维铺覆仿真及特征建模技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
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