CN111460710A - 一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，对复材零件贴膜面网格划分成壳单元网格模型，并通过仿真运算生成INP文件；将壳单元网格模型INP文件与自动铺丝轨迹规划结果进行运算，生成轨迹INP文件；建立完整的复合材料仿真模型，生成三维实体理论铺层INP文件；将轨迹INP文件中的实际角度与三维实体理论铺层INP文件中的理论角度进行替换，形成完整仿真模型INP文件；将完整INP文件进行运算，得到变形仿真结果。本发明在对采用自动铺丝技术进行制造的复合材料零件进行固化变形仿真分析时，能够基于纤维铺放的真实轨迹进行建模，更加真实准确地分析复材制件的固化变形情况。

Description

一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法

技术领域

本发明属于复合材料固化变形仿真的技术领域，具体涉及一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法。

背景技术

复合材料固化变形仿真技术是解决复合材料零件在成型脱模后产生固化变形质量问题的有效方法之一，主要是依据复合材料零件的几何结构、材料种类及边界约束等条件进行仿真建模和计算分析，并进一步采取补偿措施以控制变形程度或抵消变形的影响作用。

现阶段在对复合材料进行仿真建模的过程中，主要是依据零件工装型面和设计给定的理论铺层角度进行建模，未能考虑复合材料零件在制造过程中的实际铺层角度和理论铺层角度产生的差异。特别是对于复杂曲率的复合材料零件，零件制造过程中的实际铺层角度和理论铺层角度的差异将会对固化变形仿真结果的准确性产生较大影响。

传统的复合材料零件主要依赖于手工制造，准确的测量和跟踪实际铺层角度很难实现，但是随着自动铺丝技术在复杂型面复合材料零件生产制造中的逐步使用，依据自动铺丝轨迹获取复合材料实际铺层角度能够轻易实现。因此，对于复杂型面的复合材料零件进行仿真建模时，基于自动铺丝轨迹考虑复合材料零件的铺层角度，将更有效地反映出复合材料零件制造过程的真实情况。申请日为2017.11.21、申请号为2017111670369的中国专利公开了一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法。但是该方法适用于三维实体几何平板，并只针对理想化的正弦曲线走向的碳纤维丝束自动铺放复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，本发明在对采用自动铺丝技术进行制造的复合材料零件进行固化变形仿真分析时，能够基于纤维铺放的真实轨迹进行建模，更加真实准确地分析复材制件的固化变形情况。

本发明主要通过以下技术方案实现：一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，主要包括以下步骤：

步骤S1：在有限元软件中，对采用自动铺丝设备制造的复合材料零件的贴膜面进行有限元网格划分，形成壳单元网格模型；

步骤S2：对壳单元网格模型进行仿真运算，生成包含网格节点信息的壳单元网格模型INP文件；

步骤S3：将壳单元网格模型INP文件导入到自动铺丝轨迹规划设计软件，与复合材料零件的自动铺丝轨迹规划结果一并进行运算，生成包含网格节点与铺丝轨迹规划的纤维铺放角度信息的轨迹INP文件；

步骤S4：在有限元软件中，利用步骤S1中的网格模型和复合材料的理论铺层，创建包括材料属性、边界约束条件完整的复合材料仿真模型，并进行仿真运算，生成三维实体理论铺层INP文件；

步骤S5：将轨迹INP文件中的实际铺丝轨迹角度及其坐标系与三维实体INP文件中的理论铺层角度进行一一对应和替换，形成包含实际铺丝轨迹角度的复合材料零件完整仿真模型INP文件；

步骤S6：将完整仿真模型INP文件导入到有限元软件中进行仿真运算，得到复合材料零件固化变形仿真结果。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S2中壳单元网格模型与所述步骤S4中三维实体理论铺层INP文件基于同一个网格模型生成。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S2中所述壳单元网格模型INP文件内记录了有限元模型的模型数据和历史数据。所述步骤S2中所述INP文件为有限元软件生成的一种类型文件，INP文件内记录了有限元模型的模型数据和历史数据，如节点坐标、单元、材料属性等。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S3中轨迹INP文件是指每一个不同的轨迹规划铺层角度都需要生成一个轨迹INP文件，每一个不同的轨迹规划铺层角度是指不同的理论铺层角度（如0°、45°、90°等），以及由于铺层顺序、铺层层数原因不同而导致轨迹规划结果不一致的同一个理论铺层角度。

步骤S3中所述的自动铺丝轨迹规划设计软件为采用自动铺丝设备进行复合材料零件制造所必须的设计软件，能够实现根据复合材料零件的结构特征进行铺丝轨迹规划，并形成步骤S3中所述的复合材料零件的自动铺丝轨迹规划结果。需要说明的是，对复合材料零件进行轨迹规划所采用的几何模型与进行网格划分的几何模型一致。所述的网格模型INP文件与轨迹规划结果一并进行运算指的是基于几何模型一致的特征，将连续的轨迹规划结果离散分布到网格模型中，通常情况下这一计算都是由轨迹设计软件进行，在软件界面中输入网格模型INP文件和轨迹规划结果，并输出与之对应的有限元软件相应的文件格式。

步骤S3中所述的轨迹INP文件是每一个不同的轨迹规划铺层角度都需要生成一个轨迹INP文件，每一个不同的轨迹规划铺层角度具体是指不同的理论铺层角度（如0°、45°、90°等），以及由于铺层顺序、铺层层数等原因不同而导致轨迹规划结果不一致的同一个理论铺层角度（如在[0/45/-45/45]铺层的复杂曲率复材零件中，两个不对称的45°的铺层的轨迹规划结果不一致，则需要分别计算生成轨迹INP文件）。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S4中所述的完整的复合材料仿真模型是指在不考虑铺丝轨迹的影响时所进行的复合材料固化变形仿真的仿真模型，它能够完整的反映出固化变形仿真时所考虑的影响因素并且能够得出具体有效的仿真结果。步骤S4中所述的完整的复合材料仿真模型是指在不考虑铺丝轨迹的影响时所进行的复合材料固化变形仿真的仿真模型，它能够完整的反映出固化变形仿真时所考虑的影响因素并且能够得出具体有效的仿真结果。所述的三维实体INP文件是指基于上述的仿真模型进行计算时，由有限元软件直接生成的仿真模型INP文件。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S5中将三维实体INP文件中网格节点-网格元素-理论纤维铺层角度的关联关系替换为轨迹INP文件中网格节点-网格元素-真实纤维铺层角度的关联关系。

所述步骤S5中纤维角度的一一对应和替换的前提是步骤S4创建的三维实体模型与步骤S1中创建的壳单元网格模型在单元节点及网格元素上存在一一对应关系，依附于网格元素的纤维铺层角度也必然存在一一对应关系，即：网格节点——网格元素——纤维铺层角度的对应关系。需要说明的是，实现这一前提的方法是保持步骤S2与步骤4创建的仿真模型都是基于步骤S1创建的。将三维实体INP文件中“网格节点——网格元素——理论纤维铺层角度”的关联关系替换为轨迹INP文件中“网格节点——网格元素——真实纤维铺层角度”的关联关系。为了更好的实现步骤S5，这种替换通常采用程序来进行计算。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S1中有限元软件为Abaqus，采用四边形结构化、类型S4R的网格进行划分，并在完成全部模型的网格划分后，采用create mesh功能创建网格元素模型。

本发明的有益效果：

（1）本发明对于采用自动铺丝技术进行制造的复合材料零件，在进行固化变形仿真分析时，能够基于纤维铺放的真实轨迹而不是按照设计给定的理论铺层角度进行建模，更加真实准确地分析复材制件的固化变形情况。

（2）本发明能够基于铺丝轨迹进行复合材料固化变形仿真建模，能够在仿真过程中考虑复合材料零件制造过程的真实纤维角度。

（3）本发明该方法适用范围广，能够适用于大部分采用自动铺丝工艺进行制造的复合材料零件的固化变形仿真建模。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实际铺丝轨迹角度与理论铺层角度一一对应和替换的流程图。

具体实施方式

实施例1：

一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤S1：在有限元软件中，对采用自动铺丝设备制造的复合材料零件的贴膜面进行有限元网格划分，形成壳单元网格模型；

步骤S2：对壳单元网格模型进行仿真运算，生成包含网格节点信息的壳单元网格模型INP文件；

步骤S3：将壳单元网格模型INP文件导入到自动铺丝轨迹规划设计软件，与复合材料零件的自动铺丝轨迹规划结果一并进行运算，生成包含网格节点与铺丝轨迹规划的纤维铺放角度信息的轨迹INP文件；

步骤S4：在有限元软件中，利用步骤S1中的网格模型和复合材料的理论铺层，创建包括材料属性、边界约束条件完整的复合材料仿真模型，并进行仿真运算，生成三维实体理论铺层INP文件；

步骤S5：将轨迹INP文件中的实际铺丝轨迹角度及其坐标系与三维实体INP文件中的理论铺层角度进行一一对应和替换，形成包含实际铺丝轨迹角度的复合材料零件完整仿真模型INP文件；

步骤S6：将完整仿真模型INP文件导入到有限元软件中进行仿真运算，得到复合材料零件固化变形仿真结果。

本发明能够基于铺丝轨迹进行复合材料固化变形仿真建模，能够在仿真过程中考虑复合材料零件制造过程的真实纤维角度；本发明适用范围广，能够适用于大部分采用自动铺丝工艺进行制造的复合材料零件的固化变形仿真建模。对于采用自动铺丝技术进行制造的复合材料零件，在进行固化变形仿真分析时，能够基于纤维铺放的真实轨迹而不是按照设计给定的理论铺层角度进行建模，更加真实准确地分析复材制件的固化变形情况。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，所述步骤S2中壳单元网格模型与所述步骤S4中三维实体理论铺层INP文件基于同一个网格模型生成。所述步骤S2中所述INP文件为有限元软件生成的一种类型文件，INP文件内记录了有限元模型的模型数据和历史数据，如节点坐标、单元、材料属性等。

步骤S3中所述的自动铺丝轨迹规划设计软件为采用自动铺丝设备进行复合材料零件制造所必须的设计软件，能够实现根据复合材料零件的结构特征进行铺丝轨迹规划，并形成步骤S3中所述的复合材料零件的自动铺丝轨迹规划结果。需要说明的是，对复合材料零件进行轨迹规划所采用的几何模型与进行网格划分的几何模型一致。所述的网格模型INP文件与轨迹规划结果一并进行运算指的是基于几何模型一致的特征，将连续的轨迹规划结果离散分布到网格模型中，通常情况下这一计算都是由轨迹设计软件进行，在软件界面中输入网格模型INP文件和轨迹规划结果，并输出与之对应的有限元软件相应的文件格式。

步骤S3中所述的轨迹INP文件是每一个不同的轨迹规划铺层角度都需要生成一个轨迹INP文件，每一个不同的轨迹规划铺层角度具体是指不同的理论铺层角度（如0°、45°、90°等），以及由于铺层顺序、铺层层数等原因不同而导致轨迹规划结果不一致的同一个理论铺层角度（如在[0/45/-45/45]铺层的复杂曲率复材零件中，两个不对称的45°的铺层的轨迹规划结果不一致，则需要分别计算生成轨迹INP文件）。

步骤S4中所述的完整的复合材料仿真模型是指在不考虑铺丝轨迹的影响时所进行的复合材料固化变形仿真的仿真模型，它能够完整的反映出固化变形仿真时所考虑的影响因素并且能够得出具体有效的仿真结果。所述的三维实体INP文件是指基于上述的仿真模型进行计算时，由有限元软件直接生成的仿真模型INP文件。

所述步骤S5中纤维角度的一一对应和替换的前提是步骤S4创建的三维实体模型与步骤S1中创建的壳单元网格模型在单元节点及网格元素上存在一一对应关系，依附于网格元素的纤维铺层角度也必然存在一一对应关系，即：网格节点——网格元素——纤维铺层角度的对应关系。需要说明的是，实现这一前提的方法是保持步骤S2与步骤4创建的仿真模型都是基于步骤S1创建的。将三维实体INP文件中“网格节点——网格元素——理论纤维铺层角度”的关联关系替换为轨迹INP文件中“网格节点——网格元素——真实纤维铺层角度”的关联关系。为了更好的实现步骤S5，这种替换通常采用程序来进行计算。

本发明能够基于铺丝轨迹进行复合材料固化变形仿真建模，能够在仿真过程中考虑复合材料零件制造过程的真实纤维角度；本发明适用范围广，能够适用于大部分采用自动铺丝工艺进行制造的复合材料零件的固化变形仿真建模。

本实施例的其他部分同实施例1，故不再赘述。

实施例3：

一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤S1：在有限元软件Abaqus中对采用自动铺丝设备制造的复合材料零件的贴膜面进行有限元网格划分；

本实施例中，采用有限元分析软件Abaqus对复材零件进行有限元网格划分和分析，将复合材料零件的贴膜面导入到Abaqus分析软件中，对贴膜面进行网格划分，其中，对网格类型及网格尺寸不作要求。在本实施例中，为了便于后续运算及数据处理与运用，采用四边形结构化、类型S4R的网格进行划分，并在完成全部模型的网格划分后，采用create mesh功能创建网格元素模型（mesh part）。

步骤S2：对网格划分完成后的壳单元网格模型进行仿真运算，生成包含网格节点信息的壳单元网格模型INP文件；

本实施例中，在Abaqus分析软件Assmebly模块中通过create instance功能，将网格元素模型添加至仿真模型中。并在Job模块，通过create Job功能，创建仿真计算任务，在JobManager界面中，对当前创建的计算任务进行write input，写入成功后，在软件的当前工作文件夹中便生成了当前仿真模型的INP文件，此INP文件中包含了仿真模型的网格节点和元素等几何信息。

对网格元素模型的处理包括但不限于进行材料属性、模型实体、接触属性，边界约束等条件的处理，本实施例只针对模型实体采用了简化的处理方式，但需要说明的是，无论采用何种有限元分析软件对网格元素模型进行何种条件的处理，其目的都在于通过有限元分析软件生成包含网格节点信息的INP文件。

步骤S3：将壳单元网格模型INP文件导入到自动铺丝轨迹规划设计软件，与复合材料零件的自动铺丝轨迹规划结果一并进行运算，生成包含网格节点与铺丝轨迹规划的纤维铺放角度信息的轨迹INP文件。

本实施例中，将壳单元网格模型INP文件导入铺丝轨迹设计软件CADFiber，在包含复合材料铺丝轨迹规划结果的CADFiber软件程序中，通过FEMC4F插件功能将连续的纤维轨迹规划结果离散分布到壳单元网格模型中，计算完成后输出轨迹INP文件。

步骤S4：在有限元软件中，利用步骤S1中的网格模型和复合材料的理论铺层，创建包括材料属性、边界约束等条件完整的复合材料仿真模型，并进行仿真运算，生成三维实体理论铺层INP文件；

本实施例中，利用步骤S1中创建的mesh part网格模型进行拉伸和偏置（offset），形成三维实体网格模型，三维实体网格模型的厚度与复合材料零件的厚度一致。按照复合材料零件的实际情况给三维实体网格模型赋予材料属性和铺层方向，此处的铺层方向为零件设计时给定的理论铺层方向，然后设置仿真模型的接触属性和边界约束条件，完成设置后提交运算，运算完成且运算结果符合预期时，得到三维实体理论铺层INP文件。

步骤S5：将轨迹INP文件中的实际铺丝轨迹角度及其坐标系与三维实体理论铺层INP文件中的理论铺层角度进行一一对应和替换，形成包含实际铺丝轨迹角度的复合材料零件完整仿真模型INP文件；

本实施例中，通过编制程序实现铺层角度的一一对应和替换。如图2所示。首先通过程序分别读取轨迹INP文件和三维实体理论铺层INP文件内容，识别INP文件内节点（node）、单元（element）以及单元所属的集合（elset）、铺层角度（orientation）及所属的壳单元或三维实体截面（shell section或solid section）等关键信息，然后通过列表等形式将轨迹INP中铺层角度信息通过元素之间的对应关系进行一一对应绑定。实现对应关系绑定后，按照三维实体仿真模型的格式要求将铺丝轨迹写入到INP文件中。

步骤S6：将完整仿真模型INP文件导入到有限元软件中进行仿真运算，得到复合材料零件固化变形仿真结果。

本实施例中，将步骤S5中生成的INP文件导入有限元软件中，形成了包含铺丝轨迹的三维实体仿真模型，其相比于步骤S4中创建的包含理论铺层角度的三维实体实体INP文件，仅是复合材料铺层角度不同。提交运算，运算完成且结果符合预期时，得到复合材料固化变形仿真分析结果。

本发明能够基于铺丝轨迹进行复合材料固化变形仿真建模，能够在仿真过程中考虑复合材料零件制造过程的真实纤维角度；本发明适用范围广，能够适用于大部分采用自动铺丝工艺进行制造的复合材料零件的固化变形仿真建模。对于采用自动铺丝技术进行制造的复合材料零件，在进行固化变形仿真分析时，能够基于纤维铺放的真实轨迹而不是按照设计给定的理论铺层角度进行建模，更加真实准确地分析复材制件的固化变形情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤S1：在有限元软件中，对采用自动铺丝设备制造的复合材料零件的贴膜面进行有限元网格划分，形成壳单元网格模型；

步骤S2：对壳单元网格模型进行仿真运算，生成包含网格节点信息的壳单元网格模型INP文件；

步骤S3：将壳单元网格模型INP文件导入到自动铺丝轨迹规划设计软件，与复合材料零件的自动铺丝轨迹规划结果一并进行运算，生成包含网格节点与铺丝轨迹规划的纤维铺放角度信息的轨迹INP文件；

步骤S4：在有限元软件中，利用步骤S1中的网格模型和复合材料的理论铺层，创建包括材料属性、边界约束条件完整的复合材料仿真模型，并进行仿真运算，生成三维实体理论铺层INP文件；

步骤S5：将轨迹INP文件中的实际铺丝轨迹角度及其坐标系与三维实体INP文件中的理论铺层角度进行一一对应和替换，形成包含实际铺丝轨迹角度的复合材料零件完整仿真模型INP文件；

步骤S6：将完整仿真模型INP文件导入到有限元软件中进行仿真运算，得到复合材料零件固化变形仿真结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S2中壳单元网格模型与所述步骤S4中三维实体理论铺层INP文件基于同一个网格模型生成。

3.根据权利要求2所述的一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S2中所述壳单元网格模型INP文件内记录了有限元模型的模型数据和历史数据。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S3中轨迹INP文件是指每一个不同的轨迹规划铺层角度都需要生成一个轨迹INP文件，每一个不同的轨迹规划铺层角度是指不同的理论铺层角度以及由于铺层顺序、铺层层数原因不同而导致轨迹规划结果不一致的同一个理论铺层角度。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S4中所述的完整的复合材料仿真模型是指在不考虑铺丝轨迹的影响时所进行的复合材料固化变形仿真的仿真模型，它能够完整的反映出固化变形仿真时所考虑的影响因素并且能够得出具体有效的仿真结果。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S5中将三维实体INP文件中网格节点-网格元素-理论纤维铺层角度的关联关系替换为轨迹INP文件中网格节点-网格元素-真实纤维铺层角度的关联关系。

7.根据权利要求1所述的一种基于铺丝轨迹的复材固化变形仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S1中有限元软件为Abaqus，采用四边形结构化、类型S4R的网格进行划分，并在完成全部模型的网格划分后，采用create mesh功能创建网格元素模型。

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