CN113221398A - 一种l型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法 - Google Patents

一种l型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，属于复合材料有限元计算技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、模型建立，在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；b、有限元仿真计算；c、变形回弹角的测量；d、生成预测模型。本发明通过建立多组连续变量的几何模型，并通过特征赋值，进行有限元仿真计算，最终建立任意几何结构参数下的固化变形回弹角预测模型，从而能够实现精准预测L型复合材料制件在任意几何结构参数下的固化回弹变形情况。

Description

一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法
技术领域
本发明涉及到复合材料有限元计算技术领域，尤其涉及一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法。
背景技术
复合材料固化变形是引起装配配合超差的最主要因素，因此设计者希望在零件制造前能够提前预测出制件的固化变形情况，进而优化结构或者进行合理的容差分配。当前对复合材料固化变形进行预测的主要方法是通过有限元仿真计算来实现，这种方式的计算结果较为精确，且都有明确的物理模型进行支撑，固化的全过程都可以进行拆解分析。但是该方法的建模过程复杂，每当需要计算一个制件时，就需要重新建立一个模型进行计算，预测效率极其低下。
复合材料制件的固化变形主要分为两种，一种是平板的翘曲，一种是集中发生在转角区的回弹变形，其中转角区发生的回弹变形对装配的影响更大。引起复合材料固化变形的因素有很多，如铺层、材料或结构，对于设计者更关心的是结构的影响，因此设计者希望有一个模型能够预测任意几何结构参数条件下制件的变形情况。
公开号为CN 112036062A，公开日为2020年12月04日的中国专利文献公开了一种金属材料弯曲成形回弹角预测方法，包括以下步骤：
步骤1：建立金属材料弯曲回弹有限元模型，利用有限元仿真软件对金属材料弯曲回弹进行虚拟正交试验，获得金属材料弯曲回弹角度的数值模拟数据；
步骤2：对金属材料弯曲回弹角度的数值模拟数据进行极差分析，确定对金属材料弯曲回弹角度影响最显著的主因素；
步骤3：每个主因素考察三个水平，建立田口正交试验表，从虚拟正交试验表中，主因素的每个水平随机选做一次真实的实验，获得金属材料弯曲回弹角度的实验数据；
步骤4：用金属材料弯曲回弹角度在主因素一定水平条件下的实验数据除以数值模拟数据，获得回弹角度在主因素该水平条件下的修正系数；依次计算回弹角度在主因素其它同一水平条件下的实验数据与数值模拟数据的比值，获得回弹角度在主因素各水平条件下的修正系数；
步骤5：用主因素各水平条件下的修正系数与对应的数值模拟数据相乘积，获得各工况条件下虚拟正交试验的修正值；
步骤6：基于人工神经网络建立金属材料弯曲回弹角度的预测模型，运用虚拟正交试验工况条件下的修正数据对神经网络进行训练学习之后，输入金属材料弯曲回弹未知工况数据，经神经网络计算，获得该未知工况下金属材料弯曲回弹角度的预测值。
该专利文献公开的金属材料弯曲成形回弹角预测方法，利用有限元分析反映出的弯曲成形系统内在规律来填充缺失数据，分析误差小，预测精确度高。但是，针对L型复合材料不能建立任意几何结构参数下的固化变形回弹角预测模型，无法精准预测L型复合材料制件在任意几何结构参数下的固化回弹变形情况。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，本发明通过建立多组连续变量的几何模型，并通过特征赋值，进行有限元仿真计算，最终建立任意几何结构参数下的固化变形回弹角预测模型，从而能够实现精准预测L型复合材料制件在任意几何结构参数下的固化回弹变形情况。
本发明通过下述技术方案实现：
一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、模型建立
在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；
b、有限元仿真计算
在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；
c、变形回弹角的测量
对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；
d、生成预测模型
将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。
所述步骤a中，对模型的特征结构变量进行赋值具体是指将R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度中的任意一个作为连续几何变量，余下三个几何变量赋予特征值进行计算。
所述连续几何变量为R区曲率半径，R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度通过赋予特征值进行计算。
所述步骤c中，回弹角的测量计算具体是指通过测量两侧平板区的夹角来计算回弹角，测量点选择距离与R区接触边界20-30mm范围内，轴向测量点每间隔一段距离测量一个点，完成不同曲率半径下回弹角的测量。
所述步骤d中，生成预测模型具体是指将不同曲率半径回弹角的测量结果汇总形成连续曲线。
所述连续曲线包括一体式连续模型的预测曲线和分段式模型的预测曲线。
本发明的有益效果是：
本发明，a、模型建立，在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；b、有限元仿真计算，在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；c、变形回弹角的测量，对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；d、生成预测模型，将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。较现有技术而言，本发明通过建立多组连续变量的几何模型，并通过特征赋值，进行有限元仿真计算，最终建立任意几何结构参数下的固化变形回弹角预测模型，从而能够实现精准预测L型复合材料制件在任意几何结构参数下的固化回弹变形情况。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
图1是L型复合材料制件不同曲率半径下回弹角的预测模型以及与实测结果及离散模型的对比图；
图2是平板区长度为零的L型复合材料制件不同曲率半径下回弹角的曲线图。
具体实施方式
实施例1
一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，包括以下步骤：
a、模型建立
在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；
b、有限元仿真计算
在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；
c、变形回弹角的测量
对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；
d、生成预测模型
将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。
实施例2
一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，包括以下步骤：
a、模型建立
在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；
b、有限元仿真计算
在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；
c、变形回弹角的测量
对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；
d、生成预测模型
将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。
所述步骤a中，对模型的特征结构变量进行赋值具体是指将R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度中的任意一个作为连续几何变量，余下三个几何变量赋予特征值进行计算。
实施例3
一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，包括以下步骤：
a、模型建立
在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；
b、有限元仿真计算
在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；
c、变形回弹角的测量
对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；
d、生成预测模型
将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。
所述步骤a中，对模型的特征结构变量进行赋值具体是指将R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度中的任意一个作为连续几何变量，余下三个几何变量赋予特征值进行计算。
所述连续几何变量为R区曲率半径，R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度通过赋予特征值进行计算。
所述步骤c中，回弹角的测量计算具体是指通过测量两侧平板区的夹角来计算回弹角，测量点选择距离与R区接触边界20mm处，轴向测量点每间隔一段距离测量一个点，完成不同曲率半径下回弹角的测量。
实施例4
一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，包括以下步骤：
a、模型建立
在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；
b、有限元仿真计算
在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；
c、变形回弹角的测量
对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；
d、生成预测模型
将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。
所述步骤a中，对模型的特征结构变量进行赋值具体是指将R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度中的任意一个作为连续几何变量，余下三个几何变量赋予特征值进行计算。
所述连续几何变量为R区曲率半径，R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度通过赋予特征值进行计算。
所述步骤c中，回弹角的测量计算具体是指通过测量两侧平板区的夹角来计算回弹角，测量点选择距离与R区接触边界25mm处，轴向测量点每间隔一段距离测量一个点，完成不同曲率半径下回弹角的测量。
所述步骤d中，生成预测模型具体是指将不同曲率半径回弹角的测量结果汇总形成连续曲线。
实施例5
一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，包括以下步骤：
a、模型建立
在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；
b、有限元仿真计算
在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；
c、变形回弹角的测量
对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；
d、生成预测模型
将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。
所述步骤a中，对模型的特征结构变量进行赋值具体是指将R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度中的任意一个作为连续几何变量，余下三个几何变量赋予特征值进行计算。
所述连续几何变量为R区曲率半径，R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度通过赋予特征值进行计算。
所述步骤c中，回弹角的测量计算具体是指通过测量两侧平板区的夹角来计算回弹角，测量点选择距离与R区接触边界30mm处，轴向测量点每间隔一段距离测量一个点，完成不同曲率半径下回弹角的测量。
所述步骤d中，生成预测模型具体是指将不同曲率半径回弹角的测量结果汇总形成连续曲线。
所述连续曲线包括一体式连续模型的预测曲线和分段式模型的预测曲线。
a、模型建立，在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；b、有限元仿真计算，在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；c、变形回弹角的测量，对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；d、生成预测模型，将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。较现有技术而言，本发明通过建立多组连续变量的几何模型，并通过特征赋值，进行有限元仿真计算，最终建立任意几何结构参数下的固化变形回弹角预测模型，从而能够实现精准预测L型复合材料制件在任意几何结构参数下的固化回弹变形情况。
下面采用具体实例进一步对本发明进行说明：
具体实例1
模型的建立：影响L型复合结构制件回弹变形角的主要特征结构变量包含了R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，为了实现任意几何结构参数的变形预测，通过控制3个特征几何变量，让剩下1个几何变量连续变化。采用R区曲率半径为连续几何变量，其余几何变量赋予特征值进行计算，主要参数赋值如表1所示。
参数 名称 赋值
r 小端R区曲率半径 1mm
R 大端R区曲率半径 1000mm
φ R区对应圆心角 π/3
H 模型轴线长度 10000mm
D 直边宽度 200mm
表1
有限元仿真计算：仿真计算工具选用ABUQUS，ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。力学预测模型采用细观力学原理，即考虑单层复合材料的强度和刚度随组份材料中含量和分布的变化而变化，树脂本构模型采用CHILE(α)模型，即认为固化过程中，树脂和复合材料均表现出线弹性，瞬时树脂模量与固化度α有关，主要的材料参数赋值如表2所示，为了减少在轴向方向连续变量的变化影响，考虑了分段模型的影响，即在轴线方向上将模型细分成多个模型，理论上无线细分后得到模型就是单点离散模型。
Figure BDA0003001415110000071
Figure BDA0003001415110000081
表2
变形回弹角的测量：回弹角的测量采用统一标准进行测量，通过测量两侧平板区的夹角来计算回弹角，测量点选择距离与R区接触边界约20-30mm范围内，轴向测量点每间隔一段距离测量一个点，以实现不同曲率半径下回弹角的测量，测量点位越多，预测模型越精确。
预测模型的生成：将不同曲率半径回弹角的测量结果汇总形成连续曲线，如图1所示，图1中包含了一体式连续模型的预测曲线和分段式模型的预测曲线，同时还列出了离散模型的计算结果和零件实测变形结果。从图1中可以看出，一体式模型和分段式模型的预测结果差别较小，小曲率半径下有些微小的差别，并且一体式模型的预测值与实测值更加吻合。
具体实例2
采用与具体实例1相同的步骤和参数设置进行复合材料固化回弹角预测模型的构建。仍然选择R区曲率半径为连续变量，其余特征结构变量为固定值，并增加R区开口角度的赋值。图2列出了θ＝0°、60°、120°时，连续曲率半径复合材料固化回弹角的预测模型，从图2可以看出模型的规律性较为显著，对于指导结构设计和容差分配有着极大的指导意义。
从上述两个具体实例可知，本发明具有较高的预测准确度。

Claims (6)

1.一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、模型建立
在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；
b、有限元仿真计算
在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；
c、变形回弹角的测量
对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；
d、生成预测模型
将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，形成任意几何结构参数的固化回弹角预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，其特征在于：所述步骤a中，对模型的特征结构变量进行赋值具体是指将R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度中的任意一个作为连续几何变量，余下三个几何变量赋予特征值进行计算。
3.根据权利要求2所述的一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，其特征在于：所述连续几何变量为R区曲率半径，R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度通过赋予特征值进行计算。
4.根据权利要求3所述的一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，其特征在于：所述步骤c中，回弹角的测量计算具体是指通过测量两侧平板区的夹角来计算回弹角，测量点选择距离与R区接触边界20-30mm范围内，轴向测量点每间隔一段距离测量一个点，完成不同曲率半径下回弹角的测量。
5.根据权利要求4所述的一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，其特征在于：所述步骤d中，生成预测模型具体是指将不同曲率半径回弹角的测量结果汇总形成连续曲线。
6.根据权利要求5所述的一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，其特征在于：所述连续曲线包括一体式连续模型的预测曲线和分段式模型的预测曲线。
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