CN114004126B - 一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法 - Google Patents

一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，包括：步骤(1)：获取需要进行铺层仿真分析的几何模型；步骤(2)：根据所述几何模型生成层合板所需的模型面；步骤(3)：根据所述层合板的模型面来设置铺层仿真分析的起始点，并设置铺层的纤维方向；步骤(4)：设置铺层的性质参数；步骤(5)：根据所述起始点和铺层的纤维方向，通过曲率自适应方法生成铺层网格密度并剪切铺层，再次通过所述曲率自适应方法对生成的铺层网格密度进行优化，得到最优铺层网格密度。本发明能够根据曲率自适应方法得到最优的网格密度和铺层结果。

Description

一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法
技术领域
本发明涉及复合材料铺层制造工艺设计和仿真分析技术领域，特别是涉及一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法。
背景技术
复合材料制件最基本的单元是铺层，铺层是复合材料制件中的一层单向带或织物形成的复合材料单向层。由两层或多层同种或不同种材料铺层层合压制而成的复合材料板材称为层合板。复合材料层压结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层设计要素组成的层合板。铺层是层合板的基本结构单元，铺层中增强纤维的方向或织物径向纤维方向为材料的主方向(即纵向)；垂直于增强纤维方向或织物的纬向纤维方向为材料的另一个主方向(即横向)。
复合材料的铺层仿真分析主要是根据铺层的层合板基本形状、铺层原点、铺层方向、铺层材料以及铺层限制等设置模拟出真实铺层分析中的结果并根据计算出的结果进行优化。在该过程中，复合材料制件铺层表面的形状往往会限制铺层的网格密度，故该过程需要不断调整网格大小进而得到一个最优结果。但在软件上进行仿真计算，根据得到的结果来反复地调整网格密度是一个很耗费人力、物力、财力的事情。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，能够根据曲率自适应方法得到最优的网格密度和铺层结果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，包括：
步骤(1)：获取需要进行铺层仿真分析的几何模型；
步骤(2)：根据所述几何模型生成层合板所需的模型面；
步骤(3)：根据所述层合板的模型面来设置铺层仿真分析的起始点，并设置铺层的纤维方向；
步骤(4)：设置铺层的性质参数；
步骤(5)：根据所述起始点和铺层的纤维方向，通过曲率自适应方法生成铺层网格密度并剪切铺层，再次通过所述曲率自适应方法对生成的铺层网格密度进行优化，得到最优铺层网格密度。
所述步骤(3)中的根据所述层合板的模型面来设置铺层仿真分析的起始点P，并设置铺层的纤维方向，具体为：选取所述层合板上一点作为起始点P，根据所述起始点P生成坐标系；其中，所述坐标系包括x轴和y轴，根据所述坐标系中x轴的方向来确定铺层的纤维方向。
所述步骤(5)中的根据所述起始点和铺层的纤维方向，通过曲率自适应方法生成铺层网格密度，具体为：根据所述层合板模型面上的起始点P和铺层的纤维方向，分别生成与所述坐标系中x轴和y轴相对应的测地线L1和测地线L2，通过预设网格大小确定测地线L1上点(i,j-1)和测地线L2上点(i-1,j)的位置，根据点(i,j-1)和点(i-1,j)的位置得到当前交汇点(i,j)的位置；基于当前交汇点(i,j)，采用基于运动学的方法得到下一个交汇点，不断循环直到所有交汇点形成的网格铺满层合板的模型面。
所述基于运动学的方法的公式为：
Figure BDA0003339086070000021
其中，a表示铺层网格的长度，b表示铺层网格的宽度，(xi,j,yi,j,zi,j)表示点(i,j)坐标，(xi-1,j,yi-1,j,zi-1,j)表示点(i-1,j)坐标，(xi,j-1,yi,j-1,zi,j-1)表示点(i,j-1)坐标，F(xi,j,yi,j,zi,j)＝0表示点(i,j)处受力为0。
所述步骤(4)中铺层的性质参数包括铺层材料、铺层限制方法和铺层网格密度。
所述步骤(5)中的剪切铺层具体为：通过线形切口或V形切口来剪切铺层。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明能够利用自动检测铺层面曲率和网格密度自动生成的仿真软件来快速设计复合材料铺层制造工艺的仿真分析，针对复合材料铺层制造仿真分析设计以及网格大小对铺层结果影响的问题，本发明能够对复合材料的铺层结果进行快速设计、预测并根据曲率自检测算法计算得到最优的网格密度和铺层结果的仿真模拟方法，可以大大提高复合材料铺层设计的效率，以及铺层结果的准确度和高效性；本发明可以在短时间内根据铺层表面的形状和算法完成对不同网格密度的计算，进而达到网格最优化，无需反复调整网格密度。
附图说明
图1是本发明实施方式的方法流程图；
图2是本发明实施方式中进行铺层仿真分析的几何模型支持的文件格式示意图；
图3是本发明实施方式中设置层合板界面示意图；
图4是本发明实施方式中铺层仿真分析坐标系生成示意图；
图5是本发明实施方式的坐标系显示示意图；
图6是本发明实施方式的铺层仿真分析设置界面示意图；
图7是本发明实施方式的铺层材料类型示意图；
图8是本发明实施方式的铺层限制方法类型示意图；
图9是本发明实施方式中选择曲率自适应方法后的界面示意图；
图10是本发明实施方式的运动学铺层仿真分析原理示意图；
图11是本发明实施方式的运动学铺层仿真分析底层算法流程图；
图12是本发明实施方式的线形切口设置界面示意图；
图13是本发明实施方式的V形切口设置界面示意图；
图14是本发明实施方式的铺层平面展开图设置界面示意图；
图15是本发明实施方式的正方体结构几何模型示意图；
图16是本发明实施方式的层合板铺层面生成示意图；
图17是本发明实施方式的铺层坐标系示意图；
图18是本发明实施方式的修改后的铺层坐标系示意图；
图19是本发明实施方式的自动检测曲率生成铺层仿真结果示意图；
图20是本发明实施方式的无自动检测曲率选项生成铺层仿真结果示意图；
图21是本发明实施方式的选择铺层限制边界后生成铺层仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，针对复合材料铺层制造仿真分析设计以及网格大小对铺层结果影响的问题，设计了一种能够对复合材料的铺层结果进行快速设计、预测并根据曲率自适应方法计算得到最优的网格密度和铺层结果的仿真模拟方法，可以大大提高复合材料铺层设计的效率，以及铺层结果的准确度和高效性。
请参阅图1，本实施方式主要包括以下步骤：
(1.1)新建或导入需进行铺层仿真分析的几何模型；
(1.2)设置生成层合板所需模型面；
(1.3)设置铺层仿真分析的起始点和铺层纤维方向；
(1.4)设置铺层仿真分析的材料、铺层限制方法、网格密度以及曲率自适应等参数；
(1.5)生成铺层仿真分析结果并通过线形切口或V形切口剪切铺层，进行结果优化并重新生成铺层仿真分析结果；
(1.6)生成铺层平面展开图。
进一步地，流程(1.1)中几何模型可在自定义的软件(本实施方式使用Plexian软件)中建立或直接从外部导入模型，本实施方式中模型支持文件格式包括(.stp,.step)、(.igs,.iges)、(.prc)等，具体见图2。
进一步地，流程(1.2)中需设置生成层合板所需模型面，软件选择界面如图3所示，点击“Faces”可选取模型表面并生成层合板。
进一步地，流程(1.3)中通过生成坐标系设置铺层仿真分析的起始点和铺层纤维方向的界面如图4所示，选取层合板上一起始点P即可生成坐标系，如图5所示，生成具有x轴和y轴的坐标系，x轴和y轴形成的平面为铺层所在平面，垂直于y轴指向铺层面为法向方向，铺层纤维方向通过x轴方向定义。可通过修改图4中u和v的值修改坐标系位置，在“Rotation”处设置绕各轴转动角度修改铺层方向。
进一步地，流程(1.4)中的设置铺层仿真分析的材料、铺层限制方法、网格密度以及曲率自适应等参数界面如图6所示。在“Material”处下拉框选取铺层材料，软件目前支持的铺层材料类型见图7。在“Laminate”处选中流程(1.2)中设置的层合板，在“Rosette”处选择流程(1.3)中设置的坐标系，在“Constraint Method”处下拉框选择铺层的限制方法，目前软件支持的铺层限制方法见图8。如图9所示，只有中在选择“Curvature adaptive(即曲率自适应)时”，可在“guide curve”处选择导向曲线。选中“Detect curvature”后，铺层仿真分析可根据铺层表面曲率变化自动选择并划分铺层网格密度，不需要进行多次仿真分析来确定网格密度的最优值。设置完成后，点击界面右上角的“√”运行铺层仿真分析并生成铺层结果。
进一步地，本实施方式形成的铺层适用于复材纺织品，为了生成纺织品复合材料的铺层仿真分析，需要用合适的材料模型来模拟复合纺织品的形成机理，纺织品的大多数高度变形模式会表现出非线性的特点。对于同质化材料的平面应力状态，可以用胡克定律来描述：
Figure BDA0003339086070000051
上述公式通过杨氏模量E、泊松比v和应变εij来描述应力σij，因此，材料的行为只取决于两个材料参数E和v。
但是，纺织品的本构定律不能用胡克定律来描述。纺织品本构定律的一般形式可以表示为：
Figure BDA0003339086070000052
其中，E1表示纺织品铺层平面内x轴方向的杨氏模量，E2表示纺织品铺层平面内y轴方向的杨氏模量，G12表示纺织品铺层面内的剪切模量。
由此可见，复合材料的材料性质对铺层网格密度有影响，而复合材料的又是由本构定律来决定。
进一步地，流程(1.5)中模拟铺层仿真分析的方法主要有两种：基于运动学的方法和基于有限元的方法，本实施方式中的软件主要是基于运动学的算法。运动学铺层仿真分析原理见图10，底层算法见图11。
首先在曲面上定义起点P(即坐标系原点)然后通过在曲面上绘制的测地线L1和L2定义两个方向，此处需要注意的是，测地线L1和测地线L2相当于流程(1.3)中构建的坐标系中x轴和y轴的映射。之后通过定义网格大小或步长，可以定义(i,j-1)和(i-1,j)两个点的位置。根据预定义的步长，点(i,j)是从点(i,j-1)和点(i-1,j)生成的两条测地线的交点。用球面公式可以很容易地计算出在新点(i,j)处与曲面相交的起始点。然后使用运动学算法继续寻找下一个点。
运动学铺层仿真分析底层算法的公式如下：
Figure BDA0003339086070000061
其中，a表示铺层网格的长度，b表示铺层网格的宽度，(xi,j,yi,j,zi,j)表示点(i,j)坐标，(xi-1,j,yi-1,j,zi-1,j)表示点(i-1,j)坐标，(xi,j-1,yi,j-1,zi,j-1)表示点(i,j-1)坐标，F(xi,j,yi,j,zi,j)＝0表示点(i,j)处受力为0。
进一步地，流程(1.5)中，生成铺层仿真分析结果后，有铺层出现褶皱或拉伸的地方可以通过添加线形切口或V形切口来剪切铺层(即需要些出现褶皱或拉伸的地方进行优化)，进行结果优化并重新生成铺层仿真分析结果。“PlyMesh”处需选择流程(1.4)中生成的铺层面，线形切口设置界面如图12所示，只需在铺层上选取前两个点，V形切口如图13所示，需选取三个点，第一个点为V形顶点，后两个为V形两边的点。设置完成后可重新进行铺层仿真分析并显示铺层结果。
进一步地，流程(1.6)中铺层平面展开图设置界面如图14所示。
以下通过一个具体的实施方式进一步说明本发明：
1、建立正方体结构几何模型，如图15所示；
2、添加层合板，选择正方体几何结构上表面，并在图3中取消勾选“Keep OriginalBody”，生成层合板铺层面如图16所示。
3、添加铺层坐标系，如图17所示，修改铺层纤维方向后的坐标系如图18所示。
4、根据图6进行铺层仿真分析设置，并选中图6中“Detect Curvature”后，自动生成铺层网格密度如图19所示；若不选中图6中“DetectCurvature”，铺层网格结果见图20。
5、选择铺层限制(即选中图6的“TrimMeshbyBoundary”)的边界后生成的铺层仿真分析结果见图21。
由此可见，本发明能够利用自动检测铺层面曲率和网格密度自动生成的仿真软件来快速设计复合材料铺层制造工艺的仿真分析，针对复合材料铺层制造仿真分析设计以及网格大小对铺层结果影响的问题，本发明能够对复合材料的铺层结果进行快速设计、预测并根据曲率自检测算法计算得到最优的网格密度和铺层结果的仿真模拟方法。

Claims (4)

1.一种复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：获取需要进行铺层仿真分析的几何模型；
步骤(2)：根据所述几何模型生成层合板所需的模型面；
步骤(3)：根据所述层合板的模型面来设置铺层仿真分析的起始点，并设置铺层的纤维方向，具体为：选取所述层合板上一点作为起始点P，根据所述起始点P生成坐标系；其中，所述坐标系包括x轴和y轴，根据所述坐标系中x轴的方向来确定铺层的纤维方向；
步骤(4)：设置铺层的性质参数；
步骤(5)：根据所述起始点和铺层的纤维方向，通过曲率自适应方法生成铺层网格密度并剪切铺层，再次通过所述曲率自适应方法对生成的铺层网格密度进行优化，得到最优铺层网格密度；其中，根据所述起始点和铺层的纤维方向，通过曲率自适应方法生成铺层网格密度具体为：根据所述层合板模型面上的起始点P和铺层的纤维方向，分别生成与所述坐标系中x轴和y轴相对应的测地线L1和测地线L2，通过预设网格大小确定测地线L1上点(i,j-1)和测地线L2上点(i-1,j)的位置，根据点(i,j-1)和点(i-1,j)的位置得到当前交汇点(i,j)的位置；基于当前交汇点(i,j)，采用基于运动学的方法得到下一个交汇点，不断循环直到所有交汇点形成的网格铺满层合板的模型面。
2.根据权利要求1所述的复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，其特征在于，所述基于运动学的方法的公式为：
Figure FDA0004212073210000011
其中，a表示铺层网格的长度，b表示铺层网格的宽度，(xi,j,yi,j,zi,j)表示点(i,j)坐标，
(xi-1,j,yi-1,j,zi-1,j)表示点(i-1,j)坐标，(xi,j-1,yi,j-1,zi,j-1)表示点(i,j-1)坐标，
F(xi,j,yi,j,zi,j)＝0表示点(i,j)处受力为0。
3.根据权利要求1所述的复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中铺层的性质参数包括铺层材料、铺层限制方法和铺层网格密度。
4.根据权利要求1所述的复合材料铺层的网格密度优化仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(5)中的剪切铺层具体为：通过线形切口或V形切口来剪切铺层。
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GR01 Patent grant
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