CN112163273B - 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法 - Google Patents

复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112163273B
CN112163273B CN202011027975.5A CN202011027975A CN112163273B CN 112163273 B CN112163273 B CN 112163273B CN 202011027975 A CN202011027975 A CN 202011027975A CN 112163273 B CN112163273 B CN 112163273B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cylindrical shell
model
corrugated sandwich
equivalent
trapezoidal corrugated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011027975.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112163273A (zh
Inventor
赵海涛
田莉
陈吉安
袁明清
刘馨阳
彭雅慧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202011027975.5A priority Critical patent/CN112163273B/zh
Publication of CN112163273A publication Critical patent/CN112163273A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112163273B publication Critical patent/CN112163273B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/26—Composites
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)

Abstract

一种复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法，通过经典层合板理论编写MATLAB计算程序采集得到任意的铺层角度和层数条件下层合板的弹性常数以建立梯形波纹夹芯结构的代表性体积元的有限元模型；通过施加周期性边界条件计算得到结构单胞在不同单位应变下的力学响应，再通过外置后处理程序计算得到结构单胞等效后的正交各向异性板的弹性常数，最后建立梯形波纹夹芯圆柱壳等效后具有相同半径和厚度的圆柱壳模型。本发明能够实现复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的跨尺度等效建模，包括介观模型和宏观模型；可以实现从介观层合板材料到宏观结构的快速建模。

Description

复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料领域的技术，具体是一种复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法。
背景技术
近年来，随着航天任务多样化，航天器的燃料贮箱的尺寸越来越大，其主要承力结构为圆柱壳端框，使用带波纹夹芯的圆柱壳可以极大的提高端框承载能力。梯形波纹夹芯结构是指由上下面板和梯形波纹芯子组合而成的夹芯结构。通过选择合适的构形、尺寸和材料可以获得轻质量的波纹夹芯结构，容易实现结构轻量化，同时它的比刚度和比强度都很大，具有优异的力学性能。
现有的复合材料夹芯圆柱壳的制造工艺的特点是直接在工业高压釜中固化成型，但对大尺寸的结构，受限于固化成型设备的尺寸，无法整体成型，只能分段制造再组装到一起，制造过程繁琐，耗费时间长，因此对大型设备的试验成本非常高，无法通过试验获得不同材料体系和结构构型对整体大型圆柱壳的力学性能的影响。对波纹夹芯圆柱壳整个结构进行全尺寸的数值建模分析，耗费时间长，计算效率低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法，能够实现复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的跨尺度等效建模，包括介观模型和宏观模型；可以实现从介观层合板材料到宏观结构的快速建模，克服建立和分析大型波纹夹芯圆柱壳细节模型效率低下的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法，通过经典层合板理论编写MATLAB计算程序采集得到任意的铺层角度和层数条件下层合板的弹性常数以建立梯形波纹夹芯结构的代表性体积元的有限元模型；通过施加周期性边界条件计算得到结构单胞在不同单位应变下的力学响应，再通过外置后处理程序计算得到结构单胞等效后的正交各向异性板的弹性常数，最后建立梯形波纹夹芯圆柱壳等效后具有相同半径和厚度的圆柱壳模型。
所述的弹性常数，包括弹性模量E1，E2，E3，剪切模量G12，G13，G23泊松比v12，v13，v23。
所述的梯形波纹夹芯结构的代表性体积元的有限元模型，即具有详细尺寸的划分好网格的实体单元。
所述的周期性边界条件为：
Figure BDA0002702696890000021
其中：u′、v′、w′分别为像点(周期性对称点)在x、y、z方向的位移，u、v、w分别为原节点在x、y、z方向的位移；Wx、Wy、Wz分别为像点与原节点各方向之间的坐标差；
Figure BDA0002702696890000022
为各应变分量。
所述的结构单胞是指大型波纹夹芯圆柱壳的一个代表性体积单元，其截面为梯形，将此单胞沿着轴向和周向重复铺开以获得整个圆柱壳。
所述的力学响应为：
Figure BDA0002702696890000023
其中：
Figure BDA0002702696890000024
和
Figure BDA0002702696890000025
为正应变和剪切应变，
Figure BDA0002702696890000026
和
Figure BDA0002702696890000027
为正应力和剪切应力，
Figure BDA0002702696890000028
为柔度矩阵的各项系数。
所述的结构单胞等效后的正交各向异性板的弹性常数为：
Figure BDA0002702696890000029
Figure BDA00027026968900000210
Figure BDA00027026968900000211
所述的圆柱壳模型包括：复合材料层合板介观模型、梯形波纹夹芯结构单胞模型和梯形波纹夹芯圆柱壳宏观模型。
本发明涉及上述复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效模型的应用，将其用于直径为3.5米贮箱端框的等效建模，具体过程包括：
步骤1：由碳纤维增强复合材料单层板的参数E1＝147.74GPa，E2＝9.47GPa，E3＝9.47GPa，G12＝5.09GPa，G13＝5.09GPa，G23＝3.69GPa，v12＝0.2458，v13＝0.2458，v23＝0.2840及铺层的参数[0，60，-60]s为输入条件计算得到层合板的等效参数
Figure BDA00027026968900000212
Figure BDA00027026968900000213
步骤2：由直径3.5米贮箱端框(梯形波纹夹芯圆柱壳)的几何尺寸抽离出结构代表性体积单元(单胞)，并对该单胞划分网格得到有限元模型，通过施加周期性边界条件和后处理计算程序得到等效后的正交各向异性板的弹性常数。
Figure BDA0002702696890000031
Figure BDA0002702696890000032
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法实现大型梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度快速等效建模的问题。
与现有技术相比，本发明能够快速获得梯形波纹夹芯结构的等效力学模型并能从介观材料尺度反应宏观结构响应。
附图说明
图1为本发明多尺度等效模型示意图；
图中：1复材层合板介观模型、2梯形波纹夹芯结构单胞模型、3梯形波纹夹芯圆柱壳宏观模型；
图2为梯形波纹夹芯结构单胞等效成正交各向异性平板的过程图。
具体实施方式
本实施例涉及一种复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法，包括以下步骤：
步骤1)正交各向异性平板的应变和应力之间的关系满足ε＝S0σ，其中：ε为应变，σ为应力，S0为单层板的柔度矩阵，
Figure BDA0002702696890000033
具有任意铺层角度的第k层板的柔度矩阵满足
Figure BDA0002702696890000034
其中
Figure BDA0002702696890000035
Figure BDA0002702696890000036
然后通过
Figure BDA0002702696890000037
得到整个层合板的等效柔矩阵
Figure BDA0002702696890000038
其中：tL和tk分别为整个层合板厚度和第k单层的厚度；再通过
Figure BDA0002702696890000039
Figure BDA00027026968900000310
得到层合板的弹性模量和泊松比
Figure BDA00027026968900000318
Figure BDA00027026968900000319
步骤2)如图1和图2所示，基于步骤1获得的材料常数在软件ABAQUS中建立梯形波纹夹芯结构的有限元模型，然后根据
Figure BDA0002702696890000041
其中u′、v′、w′分别为像点(周期性对称点)在x、y、z方向的位移，u、v、w分别为原节点在x、y、z方向的位移；Wx、Wy、Wz分别为像点与原节点各方向之间的坐标差；
Figure BDA0002702696890000042
为各应变分量。对模型施加周期性边界条件，得到六个应变分量对结构的六种影响结果，并从ABAQUS后处理模块中提取应力应变量，根据
Figure BDA0002702696890000043
计算得到柔度矩阵系数
Figure BDA0002702696890000044
再由
Figure BDA0002702696890000045
Figure BDA0002702696890000046
获得等效正交各向异性平板的等效常数
Figure BDA0002702696890000047
Figure BDA0002702696890000048
步骤3)将上述得到的等效材料属性
Figure BDA0002702696890000049
赋予具有相同半径和厚度的纯圆柱壳，从结构受力产生的应力应变关系角度出发获得等效的弹性常数。
与现有技术相比，本方法将前处理和后处理过程封装为程序，可快速获得梯形波纹夹芯圆柱壳的等效模型，基于等效模型的计算效率比全尺寸模型高很多。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法，其特征在于，通过经典层合板理论编写MATLAB计算程序采集得到任意的铺层角度和层数条件下层合板的弹性常数以建立梯形波纹夹芯结构的代表性体积元的有限元模型；通过施加周期性边界条件计算得到结构单胞在不同单位应变下的力学响应，再通过外置后处理程序计算得到结构单胞等效后的正交各向异性板的弹性常数，最后建立梯形波纹夹芯圆柱壳等效后具有相同半径和厚度的圆柱壳模型；
所述的梯形波纹夹芯结构的代表性体积元的有限元模型，即具有详细尺寸的划分好网格的实体单元；
所述的周期性边界条件为：
Figure FDA0003747737680000011
其中：u’、v’、w’分别为像点在x、y、z方向的位移，u、v、w分别为原节点在x、y、z方向的位移；Wx、Wy、Wz分别为像点与原节点各方向之间的坐标差；
Figure FDA0003747737680000012
为各应变分量；
所述的力学响应为：
Figure FDA0003747737680000013
其中：
Figure FDA0003747737680000014
和
Figure FDA0003747737680000015
为正应变和剪切应变，
Figure FDA0003747737680000016
和
Figure FDA0003747737680000017
为正应力和剪切应力，
Figure FDA0003747737680000018
为柔度矩阵的各项系数；
所述的结构单胞等效后的正交各向异性板的弹性常数为：
Figure FDA0003747737680000019
Figure FDA00037477376800000110
Figure FDA00037477376800000111
所述的圆柱壳模型包括：复合材料层合板介观模型、梯形波纹夹芯结构单胞模型和梯形波纹夹芯圆柱壳宏观模型。
2.根据权利要求1所述的复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法，其特征是，所述的结构单胞是指大型波纹夹芯圆柱壳的一个代表性体积单元，其截面为梯形，将此单胞沿着轴向和周向重复铺开以获得整个圆柱壳。
3.根据权利要求1或2所述建模方法得到的复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效模型的应用，其特征在于，将其用于直径为3.5米贮箱端框的等效建模，具体过程包括：
步骤1：由碳纤维增强复合材料单层板的参数E1＝147.74GPa，E2＝9.47GPa，E3＝9.47GPa，G12＝5.09GPa，G13＝5.09GPa，G23＝3.69GPa，ν12＝0.2458，ν13＝0.2458，v23＝0.2840及铺层的参数[0,60,-60]s为输入条件计算得到层合板的等效参数
Figure FDA0003747737680000021
Figure FDA0003747737680000022
Figure FDA0003747737680000023
步骤2：由直径3.5米贮箱端框，即梯形波纹夹芯圆柱壳的几何尺寸抽离出结构代表性体积单元，即单胞，并对该单胞划分网格得到有限元模型，通过施加周期性边界条件和后处理计算程序得到等效后的正交各向异性板的弹性常数，
Figure FDA0003747737680000024
Figure FDA0003747737680000025
Figure FDA0003747737680000026
CN202011027975.5A 2020-09-26 2020-09-26 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法 Active CN112163273B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011027975.5A CN112163273B (zh) 2020-09-26 2020-09-26 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011027975.5A CN112163273B (zh) 2020-09-26 2020-09-26 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112163273A CN112163273A (zh) 2021-01-01
CN112163273B true CN112163273B (zh) 2022-09-09

Family

ID=73864168

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011027975.5A Active CN112163273B (zh) 2020-09-26 2020-09-26 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112163273B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116629068A (zh) * 2023-05-29 2023-08-22 上海交通大学 微纳米混杂增强基元结构复合材料多尺度仿真方法
CN116384015B (zh) * 2023-06-05 2023-09-15 中国航发四川燃气涡轮研究院 一种复合材料层合板结构强度的分析方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106903357A (zh) * 2017-04-18 2017-06-30 成都飞机工业（集团）有限责任公司 薄壁蜂窝芯材曲线加工型面的加工方法
CN108345742A (zh) * 2018-02-08 2018-07-31 北京航空航天大学 一种适用于波纹夹芯结构的动力学等效建模方法
CN109265817A (zh) * 2018-07-12 2019-01-25 凌云工业股份有限公司上海凌云汽车研发分公司 碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法
CN111655619A (zh) * 2018-01-26 2020-09-11 穆尔工程系统有限公司 绝缘板

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015077495A1 (en) * 2013-11-20 2015-05-28 California Institute Of Technology Methods for a multi-scale description of the electronic structure of molecular systems and materials and related applications
CN107451307B (zh) * 2016-05-31 2020-07-14 西北工业大学 一种多尺度计算复杂复合材料结构等效刚度矩阵的方法
CN106066913B (zh) * 2016-05-31 2019-06-21 西北工业大学 复杂复合材料结构等效材料性能多尺度计算方法
JP2018055509A (ja) * 2016-09-29 2018-04-05 ファイフィット株式会社 複合有限要素のプリ処理方法、複合材料の解析方法、解析サービスシステムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体
US11556683B2 (en) * 2018-06-14 2023-01-17 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Fibrous composite failure criteria with material degradation for finite element solvers
CN109241650B (zh) * 2018-09-25 2023-06-23 南京航空航天大学 基于跨尺度仿真的碳纤维增强复合材料力学性能预测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106903357A (zh) * 2017-04-18 2017-06-30 成都飞机工业（集团）有限责任公司 薄壁蜂窝芯材曲线加工型面的加工方法
CN111655619A (zh) * 2018-01-26 2020-09-11 穆尔工程系统有限公司 绝缘板
CN108345742A (zh) * 2018-02-08 2018-07-31 北京航空航天大学 一种适用于波纹夹芯结构的动力学等效建模方法
CN109265817A (zh) * 2018-07-12 2019-01-25 凌云工业股份有限公司上海凌云汽车研发分公司 碳纳米管增强碳纤维热塑性树脂基复合材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112163273A (zh) 2021-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Altenbach Theories for laminated and sandwich plates: A review
CN107451307B (zh) 一种多尺度计算复杂复合材料结构等效刚度矩阵的方法
CN112163273B (zh) 复合材料梯形波纹夹芯圆柱壳的多尺度等效建模方法
CN111368389B (zh) 一种预测复合材料层合板失效强度的方法
Reddy et al. Bending analysis of laminated composite plates using finite element method
CN106066913A (zh) 复杂复合材料结构等效材料性能多尺度计算方法
Bhagavathiyappan et al. Comparative computational impact analysis of multi-layer composite materials
JP2018055509A (ja) 複合有限要素のプリ処理方法、複合材料の解析方法、解析サービスシステムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体
Hou et al. Multi-objective and multi-constraint design optimization for hat-shaped composite T-joints in automobiles
CN107451309A (zh) 一种多尺度计算复杂复合材料结构等效热膨胀系数的方法
CN109101692B (zh) 基于最大应力准则的复合材料层合板极限载荷计算方法
CN112528415B (zh) 一种复合材料轴结构宏-细观失效模式分析方法
Cunningham et al. The effects of various design parameters on the free vibration of doubly curved composite sandwich panels
CN110688789A (zh) 一种碳纤维复合单向板偏载冲击的多尺度响应分析方法
Jiang et al. Free vibration behaviours of composite sandwich plates with reentrant honeycomb cores
Li et al. Failure mechanisms of fluted-core sandwich composite panels under uniaxial compression
CN112926244A (zh) 一种复合材料层合板开孔件极限载荷确定方法
CN113158508A (zh) 一种复合材料层合板贴补修复后极限载荷确定方法
Afshin et al. Free-edge effects in a cylindrical sandwich panel with a flexible core and laminated composite face sheets
CN108197398B (zh) 一种预测基于空间群p4的三维编织复合材料失效的有限元方法
CN110889253A (zh) 复合材料层合板等效方法
Sun et al. A discrete material optimization method with a patch strategy based on stiffness matrix interpolation
Kress et al. Honeycomb sandwich residual stress deformation pattern
CN111370079B (zh) 一种壳结构变形光滑粒子动力学建模方法
Mahdi et al. Stiffness Tailoring for Improved Buckling of Variable Angle Tow Composite Sandwich Plates

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant