CN114357826A - 一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法 - Google Patents

一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114357826A
CN114357826A CN202111537060.3A CN202111537060A CN114357826A CN 114357826 A CN114357826 A CN 114357826A CN 202111537060 A CN202111537060 A CN 202111537060A CN 114357826 A CN114357826 A CN 114357826A
Authority
CN
China
Prior art keywords
longitudinal
transverse
force transmission
ribs
local
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.)
Pending
Application number
CN202111537060.3A
Other languages
English (en)
Inventor
陈金睿
夏银
王彤
熊晓枫
齐利剑
丁祝攀
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.)
AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute
Original Assignee
AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute
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 AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute filed Critical AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute
Priority to CN202111537060.3A priority Critical patent/CN114357826A/zh
Publication of CN114357826A publication Critical patent/CN114357826A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Rod-Shaped Construction Members (AREA)

Abstract

本发明属于复合材料结构设计技术领域，具体涉及一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法。本方法系统性地给出了复合材料整体纵横加筋框的铺层设计方法，解决了纵向或横向加筋中哪些筋条应该连续、哪些筋条应该断开的铺层设计难题，提高了复合材料整体纵横加筋框的整体力学性能。

Description

一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法
技术领域
本发明属于复合材料结构设计技术领域，具体涉及一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法。
背景技术
在复合材料舱段结构中，复合材料整体纵横加筋框作为主承力框，具有尺寸大、外形复杂、纵向或横向加筋多的结构特点。其制造工艺采用RTM整体成型工艺，工艺质量和力学性能较好，但在铺层设计中始终面临纵向或横向十字加筋处一侧筋条连续一侧筋条断开的问题，从而导致整体框在某一方向上力学性能较差。
专利CN103341987A公开了一种Ω长桁纵向或横向加筋复合材料整体壁板共固化工艺，其纵向帽形长桁与壁板共固化，横向肋在长桁处挖缺，与壁板二次胶接。CN105216345A公开了一种RTM整体成型纵向或横向加筋结构口盖及其制造方法，其中采用纵向筋连续、横向筋断开的形式。以上两种处理方式降低了横向的力学性能，不适用于主承力框。CN210553131U公开了一种复合材料纵向或横向加筋壁板整体固化成型模具，所制造的加筋板没有纵向或横向十字加筋，因此也未考虑十字加筋的铺层设计问题。综上所述，本发明公开了一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，从铺层设计角度出发来提高复合材料整体纵横加筋框的整体力学性能。
发明内容
本发明的目的：提供了一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，可用于复合材料整体纵向或横向加筋主承力框的结构设计。
本发明的技术方案：一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，包括如下步骤：
步骤1：确定复合材料整体纵横加筋框的载荷工况、纵横加筋布局、加筋板尺寸参数，按照规定顺序对框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向和横向筋条交汇点进行标记；
步骤2：对复合材料整体纵横加筋框在各种载荷工况下的受力情况进行静力学分析，得到各种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框上纵向和横向筋条的应力分布；
步骤3：根据各种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框上纵向和横向筋条的应力分布，采用最大应力折减系数法提取并标记纵向和横向筋条上的重要总体载荷应力区和重要局部载荷应力区；
步骤4：根据复合材料整体纵横加筋框的重要总体载荷应力区和重要局部载荷应力区，确定纵向和横向总体传力路径、纵向和横向局部传力路径位置；
步骤5：根据复合材料整体纵横加筋框重要局部载荷应力区、纵向和横向局部传力路径位置，分别确定纵向和横向局部传力路径的连续长度；根据复合材料整体纵横加筋框重要总体载荷应力区、纵向和横向总体传力路径位置，分别确定纵向和横向总体传力路径的连续长度；
步骤6：根据各条纵向和横向总体主传力路径、纵向和横向局部传力路径的连续长度进行铺层设计。
在一个可能的实施例中，所述载荷工况包括总体载荷工况和局部载荷工况；所述总体载荷包括但不限于纵向拉伸、横向拉伸、纵向压缩、横向压缩、纵向弯曲、横向弯曲、面内剪切、面外压力载荷；所述总体载荷工况为上述总体载荷的一种或者几种所构成的组合；所述局部载荷包括但不限于安装在某一个或者某几个筋条上的设备安装载荷、作动筒载荷、挂点载荷；所述局部载荷工况为上述局部载荷的单一组合。
在一个可能的实施例中，所述总体载荷工况可有一种或者多种，所述局部载荷工况可没有、有一种或者多种。
在一个可能的实施例中，所述步骤1中，所述复合材料整体纵横加筋框的框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向和横向筋条交汇点标记方法如下：
根据从上到下、从左到右的顺序对加筋框的外缘条、纵向或横向筋条进行标记；其中，按照从上到下的顺序，横向外框缘和横向筋条依次标记为H0、H1、H2、……Hm、……HM+1，其中M为横向筋条的数量，1≤m≤M；H0表示为最上侧的外框缘，HN+1表示为最下侧的外框缘；H1、H2、……Hm、……HM表示从上到下第1、2、……、m、……M根横向筋条；同理，按照从左到右的顺序，将纵向外框缘和纵向筋条依次标记为Z0、Z1、Z2、……Zn、……ZN+1，其中N为纵向筋条的数量，1≤n≤N；按照从上到下、从左到右的顺序，将纵向和横向筋条之间的交汇点标记为An,m，表示第n根纵向筋条与第m根横向筋条之间的交汇点；框缘与框缘之间、框缘与筋条之间交汇点的标记方法同理；按照从上到下，从左到右的顺序，将交汇点An,m与An,m+1之间的筋条进行标记为
Figure BDA0003413142130000021
表示位于纵向筋条Zn上，被第m和第m+1根横向筋条分割的筋条小段；将交汇点An,m与An+1,m之间的筋条进行标记为
Figure BDA0003413142130000022
表示位于横向筋条Hm上，被第n和第n+1根纵向筋条分割的筋条小段；根据定义，横向筋条Hm由
Figure BDA0003413142130000031
首尾连接而成，纵向筋条Zn由
Figure BDA0003413142130000032
Figure BDA0003413142130000033
首尾连接而成。
在一个可能的实施例中，所述步骤2中，采用有限元仿真分析手段，运用壳单元或者实体单元对复合材料纵横加筋框进行有限元建模，网格尺寸根据网格收敛性分析结果确定；将复合材料整体纵横加筋框材料简化设置为各向同性材料，载荷条件依次设置为每一种载荷工况，边界条件根据复合材料整体纵横加筋框的实际边界进行简化处理，采用静力学线性分析方法计算得到每一种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框的纵向和横向筋条von Mises应力分布。
优选的，有限元单元类型为线性、有限薄膜应变、缩减积分的四边形壳单元；网格收敛性分析的应力误差阈值设置为5％；材料设置为铝合金材料；框缘边界条件设置为简支；静力学线性分析方法为Full Newton算法；von Mises应力提取独立节点(uniquenodal)应力。
在一个可能的实施例中，所述步骤3中，采用最大应力折减系数法提取并标记所有总体载荷工况下的重要总体载荷应力区，其方法为：假设共有I种总体载荷工况，针对任意第i种总体载荷工况，其中，1≤i≤I，将纵向和横向筋条von Mises应力分布中的应力负值取绝对值，考察任意纵向筋条Zn上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000034
在该总体载荷工况下的最大应力值，记为
Figure BDA0003413142130000035
将I个总体载荷工况下该筋条小段的最大应力值设为一个集合，定义该集合的最大值为
Figure BDA0003413142130000036
即
Figure BDA0003413142130000037
同理任意横向筋条Hm上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000038
在全部总体载荷工况下的最大应力值为
Figure BDA0003413142130000039
按照数值从大到小的顺序将全部纵向和横向筋条的筋条小段在全部总体载荷工况下的最大应力值smax排列，得到
Figure BDA00034131421300000310
其中数值2MN+M+N表示N个纵向筋条和M个横向筋条所包含的全部全部筋条小段的数量；定义最大应力折减系数η，其中0≤η≤1，若满足
Figure BDA00034131421300000311
其中1≤x≤2MN+M+N，则
Figure BDA00034131421300000312
所在的筋条小段定义为重要总体载荷应力区；优选的，最大应力折减系数η取为0.8。
在一个可能的实施例中，采用最大应力折减系数法提取并标记所有局部载荷工况下的重要局部载荷应力区，其方法为：假设共有J种局部载荷工况，针对任意第j种局部载荷工况，其中，1≤j≤J，将纵向和横向筋条von Mises应力分布中的应力负值取绝对值，考察任意纵向筋条Zn上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000041
在该局部载荷工况下的最大应力值，记为
Figure BDA0003413142130000042
同理任意横向筋条Hm上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000043
在第j种局部载荷工况下的最大应力值为
Figure BDA0003413142130000044
定义最大应力折减系数λ，其中0≤λ≤1，若满足
Figure BDA0003413142130000045
或者
Figure BDA0003413142130000046
则
Figure BDA0003413142130000047
或者
Figure BDA0003413142130000048
所在的筋条小段定义为第j种局部载荷工况下的重要局部载荷应力区。
优选的，最大应力折减系数λ取为0.8。
在一个可能的实施例中，所述步骤4中，根据重要总体载荷应力区确定纵向或横向总体传力路径位置，其方法为：若某根筋条上含有一处及一处以上的重要总体载荷应力区，则该整条筋条为纵向或横向总体传力路径；所述纵向或横向总体传力路径分为纵向总体传力路径和横向总体传力路径；假设共有
Figure BDA0003413142130000049
个筋条为横向总体传力路径，
Figure BDA00034131421300000410
个筋条为纵向总体传力路径；
Figure BDA00034131421300000411
个横向总体传力路径中，考察任意第m根横向筋条上的所有重要总体载荷应力区，比较这些重要总体载荷应力区中的应力，提取其最大值定义为smax|Hm；按照smax|Hm从大到小，依次将横向总体传力路径标记为
Figure BDA00034131421300000412
同理，
Figure BDA00034131421300000413
个纵向总体传力路径中，按照纵向筋条所有重要总体载荷应力区的最大应力值smax|Zn从大到小，依次将纵向总体传力路径标记为
Figure BDA00034131421300000414
优选的，若其中存在多根横向筋条smax|Hm值相同，按照从上到下顺序进行标记；若其中存在多根纵向筋条smax|Zn值相同，按照从左到右顺序进行标记。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，提取任意第j个局部载荷工况下的所有纵向局部传力路径
Figure BDA00034131421300000415
和所有横向局部传力路径
Figure BDA00034131421300000416
上所有重要局部载荷应力区的应力最大值，记为
Figure BDA00034131421300000417
其中1≤j≤J，即
Figure BDA00034131421300000418
按照数值从大到小对进行
Figure BDA00034131421300000419
排列，按照该顺序依次计算第j个局部载荷工况下纵向或横向局部传力路径的连续长度；
确定任意第j个局部载荷工况下的纵向局部传力路径
Figure BDA00034131421300000420
的连续长度方法为，其中，
Figure BDA0003413142130000051
对于任意
Figure BDA0003413142130000052
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure BDA0003413142130000053
如果位于交汇点An,m与An,m+1之间，则以最大应力值
Figure BDA0003413142130000054
所在筋条小段
Figure BDA0003413142130000055
为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000056
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure BDA0003413142130000057
相邻的第t1根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘H0或者HM+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意横向局部传力路径的任意连续长度内，不含横向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该横向局部传力路径连续长度的交汇处截止；
对于任意
Figure BDA0003413142130000058
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure BDA0003413142130000059
如果位于交汇点An,m或者An,m+1上，则以最大应力值
Figure BDA00034131421300000510
所在交汇点位起始点，沿着
Figure BDA00034131421300000511
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure BDA00034131421300000512
相邻的第t2根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘H0或者HM+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意横向局部传力路径的任意连续长度内，不含横向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该横向局部传力路径连续长度的交汇处截止；
确定任意第j个局部载荷工况下的横向局部传力路径
Figure BDA00034131421300000513
的连续长度方法为，其中，
Figure BDA00034131421300000514
对于任意
Figure BDA00034131421300000515
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure BDA00034131421300000516
如果位于交汇点An,m与An+1,m之间，则以最大应力值
Figure BDA00034131421300000517
所在筋条小段
Figure BDA00034131421300000518
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300000519
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure BDA00034131421300000520
相邻的第t3根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘Z0或者ZN+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向局部传力路径的任意连续长度内，不含纵向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该纵向局部传力路径连续长度的交汇处截止；
对于任意
Figure BDA00034131421300000521
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure BDA00034131421300000522
如果位于交汇点An,m、An+1,m上，则以最大应力值
Figure BDA00034131421300000523
所在筋条小段
Figure BDA00034131421300000524
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300000525
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure BDA0003413142130000061
相邻的第t4根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘Z0或者ZN+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向局部传力路径的任意连续长度内，不含纵向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该纵向局部传力路径连续长度的交汇处截止。
优选的，所述纵向或横向局部传力路径应位于纵向或横向总体传力路径上。
优选的，对于第j个局部载荷工况下的纵向或横向局部传力路径，对于重要局部载荷应力区中最大应力值qmax|Hm相同的横向筋条，按照从上到下顺序进行标记；对于重要局部载荷应力区中最大应力值qmax|Zn相同的纵向筋条，按照从左到右顺序进行标记。
优选的，
Figure BDA0003413142130000062
位于交汇点An,m与An,m+1之间时，纵向局部传力路径连续长度截止到与
Figure BDA0003413142130000063
相邻的第二根交叉筋条Hm-1、Hm+2为止。
优选的，
Figure BDA0003413142130000064
位于交汇点An,m或者An,m+1上时，纵向局部传力路径连续长度截止到与
Figure BDA0003413142130000065
相邻的第一根交叉筋条Hm-1、Hm+1(以An,m为起始点)或者Hm+1、Hm+2(以An,m+1为起始点)为止。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，提取任意第j个局部载荷工况下的所有纵向局部传力路径
Figure BDA0003413142130000066
和所有横向局部传力路径
Figure BDA0003413142130000067
上所有重要局部载荷应力区的应力最大值，记为
Figure BDA0003413142130000068
其中1≤j≤J，即
Figure BDA0003413142130000069
按照数值从大到小对进行
Figure BDA00034131421300000610
排列，按照该顺序依次计算第j个局部载荷工况下纵向或横向局部传力路径的连续长度。
当同一筋条上不同纵向或横向局部传力路径的连续长度存在重叠时(首尾相连不算)，应将其整合为一条纵向或横向局部传力路径，即该传力路径的连续长度为原有几条局部传力路径的连续长度的叠加。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，应将全部纵向或横向总体传力路径按照其上重要总体载荷应力区的应力最大值smax|Hm和smax|Zn从小到大进行排列，按照该顺序依次计算纵向或横向总体传力路径的连续长度。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，确定纵向总体传力路径
Figure BDA00034131421300000611
的连续长度的方法为：对于任意纵向总体传力路径
Figure BDA0003413142130000071
其上任意重要总体载荷应力区
Figure BDA0003413142130000072
的最大应力值为
Figure BDA0003413142130000073
若
Figure BDA0003413142130000074
位于交汇点An,m与An,m+1之间，则以
Figure BDA0003413142130000075
所在筋条小段
Figure BDA0003413142130000076
为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000077
筋条方向向两侧延伸；若
Figure BDA0003413142130000078
位于交汇点An,m或者An,m+1上，则以交汇点An,m或者An,m+1为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000079
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止(如图5所示)：
(1)当延伸至任意
Figure BDA00034131421300000710
的任意重要总体载荷应力区与
Figure BDA00034131421300000711
的交汇点An,y时，若
Figure BDA00034131421300000712
小于
Figure BDA00034131421300000713
该处重要总体载荷应力区的最大应力值，则在An,y处截止；
(2)当延伸至外框缘H0或者HM+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向或横向局部传力路径(不含纵向或横向局部传力路径的两侧端点)时，在与该纵向或横向局部传力路径交汇处截止。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，当同一筋条上任意不同纵向总体传力路径之间、任意纵向总体传力路径与任意纵向局部传力路径之间的连续长度存在重叠(首尾相连不算)，应将其整合为一条纵向总体传力路径，即该传力路径的连续长度为原有几条传力路径的连续长度的叠加。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，确定横向总体传力路径
Figure BDA00034131421300000714
的连续长度的方法为：对于任意纵向总体传力路径
Figure BDA00034131421300000715
其上任意重要总体载荷应力区
Figure BDA00034131421300000716
的最大应力值为
Figure BDA00034131421300000717
若
Figure BDA00034131421300000718
位于交汇点An,m与An+1,m之间，则以
Figure BDA00034131421300000719
所在筋条小段
Figure BDA00034131421300000720
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300000721
筋条方向向两侧延伸；若
Figure BDA00034131421300000722
位于交汇点An,m或者An+1,m上，则以交汇点An,m或者An+1,m为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300000723
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止(如图5所示)：
(1)当延伸至任意
Figure BDA00034131421300000724
的任意重要总体载荷应力区与
Figure BDA00034131421300000725
的交汇点Ax,m时，若
Figure BDA00034131421300000726
小于
Figure BDA00034131421300000727
该处重要总体载荷应力区的最大应力值，则在Ax,m处截止；
(2)当延伸至外框缘Z0或者ZN+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向或横向局部传力路径(不含纵向或横向局部传力路径的两侧端点)时，在与该纵向或横向局部传力路径交汇处截止。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，当同一筋条上任意不同横向总体传力路径之间、任意横向总体传力路径与任意横向局部传力路径之间的连续长度存在重叠(首尾相连不算)，应将其整合为一条横向总体传力路径，即该传力路径的连续长度为原有几条传力路径的连续长度的叠加。
在一个可能的实施例中，在所述步骤6中，所述铺层设计方法为：对于所述纵向或横向总体传力路径和纵向或横向局部传力路径上的纵向或横向筋条，在其连续长度内，连续铺层的厚度不低于该处筋条总厚度的25％；外框缘的连续铺层的厚度不低于该处外框缘总厚度的25％；筋条断开方向上应增加补偿层以满足筋条厚度设计要求。
本发明的有益效果：通过对复合材料整体加筋框的框缘、纵向或横向筋条及纵向或横向筋条交汇点进行标记，为确定纵向或横向总体主传力路径和纵向或横向局部传力路径的位置和连续长度提供可量化的精准分析基础；通过采用网格收敛性分析确定网格尺寸、设置各向同性材料、简化实际边界、静力学线性分析方法、提取von Mises独立节点应力分布等一系列有限元仿真分析手段，既满足了复合材料整体加筋框初步设计的工程分析精度要求，又提高了复合材料整体加筋框的计算效率；通过采用最大应力折减系数法，可以准确提取设计人员所关心的纵向或横向筋条重要总体载荷应力区和重要局部载荷应力区，并忽略非重要应力区，从而为精准分析纵向或横向总体传力路径和纵向或横向局部传力路径的位置及连续长度奠定基础；通过设置从重要局部载荷应力区延伸的截止准则和多条纵向或横向局部传力路径连续长度的叠加原则，提供了一种精准确定纵向或横向局部传力路径连续长度的方法；通过设置从重要总体载荷应力区延伸的截止准则和多条纵向或横向总体传力路径之间、纵向或横向总体传力路径与纵向或横向局部传力路径连续长度的叠加原则，提供了一种精准确定纵向或横向总体传力路径连续长度的方法；通过给定纵向或横向总体传力路径和纵向或横向局部传力路径连续长度内的最低连续铺层厚度要求和非连续铺层区厚度协调要求，提供了一种铺层厚度设计方法；本方法系统性地给出了复合材料整体纵横加筋框的铺层设计方法，解决了纵向或横向加筋中哪些筋条应该连续、哪些筋条应该断开的铺层设计难题，提高了复合材料整体纵横加筋框的整体力学性能。
附图说明
图1为本发明的流程示意图
图2为本发明步骤1中复合材料整体纵横加筋框框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向、横向筋条交汇点定义示意图
图3为本发明步骤5中第j个局部载荷工况下任意重要局部载荷应力区最大应力值位于筋条小段之内的纵向或横向局部传力路径
Figure BDA0003413142130000081
或者
Figure BDA0003413142130000082
的连续长度的确定方法(以
Figure BDA0003413142130000083
为例)
图4为本发明步骤5中第j个局部载荷工况下任意重要局部载荷应力区最大应力值位于筋条交汇点上的纵向或横向局部传力路径
Figure BDA0003413142130000091
或者
Figure BDA0003413142130000092
的连续长度的确定方法(以
Figure BDA0003413142130000093
为例)
图5为本发明步骤5中任意纵向或横向总体传力路径
Figure BDA0003413142130000094
或者
Figure BDA0003413142130000095
连续长度的确定方法(以
Figure BDA0003413142130000096
为例)
图6(a)为本发明实施例1复合材料整体纵横加筋板纵横加筋布局及载荷工况示意图
图6(b)为本发明实施例1复合材料整体纵横加筋板框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向、横向筋条交汇点定义示意图
图7(a)为本发明实施例1复合材料整体纵横加筋板在所有载荷工况下的所有筋条小段最大应力值分布示意图(单位MPa)
图7(b)为本发明实施例1复合材料整体纵横加筋板重要总体载荷应力区及总体传力路径位置示意图
图8(a)为本发明实施例1复合材料整体纵横加筋板所有总体传力路径的连续长度示意图；
图8(b)为本发明实施例1复合材料整体纵横加筋板铺层设计示意图；
图9(a)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板纵横加筋布局及载荷工况示意图
图9(b)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向、横向筋条交汇点定义示意图
图10(a)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板在所有总体载荷工况下的所有筋条小段最大应力值分布示意图(单位MPa)
图10(b)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板重要总体载荷应力区及总体传力路径位置示意图
图11(a)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板在所有局部载荷工况下的所有筋条小段最大应力值分布示意图(单位MPa)
图11(b)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板重要局部载荷应力区及局部传力路径位置示意图
图12(a)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板所有总体传力路径和局部传力路径的连续长度示意图
图12(b)为本发明实施例2复合材料整体纵横加筋板铺层设计示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。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，一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，包括如下步骤：
步骤1：确定复合材料整体纵横加筋框的载荷工况、纵横加筋布局、加筋板尺寸参数，按照规定顺序对框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向和横向筋条交汇点进行标记；
步骤2：对复合材料整体纵横加筋框在各种载荷工况下的受力情况进行静力学分析，得到各种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框上纵向和横向筋条的应力分布；
步骤3：根据各种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框上纵向和横向筋条的应力分布，采用最大应力折减系数法提取并标记纵向和横向筋条上的重要总体载荷应力区和重要局部载荷应力区；
步骤4：根据复合材料整体纵横加筋框的重要总体载荷应力区和重要局部载荷应力区，确定纵向和横向总体传力路径、纵向和横向局部传力路径位置；
步骤5：根据复合材料整体纵横加筋框重要局部载荷应力区、纵向和横向局部传力路径位置，分别确定纵向和横向局部传力路径的连续长度；根据复合材料整体纵横加筋框重要总体载荷应力区、纵向和横向总体传力路径位置，分别确定纵向和横向总体传力路径的连续长度；
步骤6：根据各条纵向和横向总体主传力路径、纵向和横向局部传力路径的连续长度进行铺层设计。
在一个可能的实施例中，所述载荷工况包括总体载荷工况和局部载荷工况；所述总体载荷包括但不限于纵向拉伸、横向拉伸、纵向压缩、横向压缩、纵向弯曲、横向弯曲、面内剪切、面外压力载荷；所述总体载荷工况为上述总体载荷的一种或者几种所构成的组合；所述局部载荷包括但不限于安装在某一个或者某几个筋条上的设备安装载荷、作动筒载荷、挂点载荷；所述局部载荷工况为上述局部载荷的单一组合。
在一个可能的实施例中，所述总体载荷工况可有一种或者多种，所述局部载荷工况可没有、有一种或者多种。
在一个可能的实施例中，所述步骤1中，所述复合材料整体纵横加筋框的框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向和横向筋条交汇点标记方法如下：
在一个可能的实施例中，所述步骤1中，根据从上到下、从左到右的顺序对加筋框的外缘条、纵向或横向筋条进行标记；其中，按照从上到下的顺序，横向外框缘和横向筋条依次标记为H0、H1、H2、……Hm、……HM+1，其中M为横向筋条的数量，1≤m≤M；H0表示为最上侧的外框缘，HN+1表示为最下侧的外框缘；H1、H2、……Hm、……HM表示从上到下第1、2、……、m、……M根横向筋条；同理，按照从左到右的顺序，将纵向外框缘和纵向筋条依次标记为Z0、Z1、Z2、……Zn、……ZN+1，其中N为纵向筋条的数量，1≤n≤N；按照从上到下、从左到右的顺序，将纵向和横向筋条之间的交汇点标记为An,m，表示第n根纵向筋条与第m根横向筋条之间的交汇点；框缘与框缘之间、框缘与筋条之间交汇点的标记方法同理；按照从上到下，从左到右的顺序，将交汇点An,m与An,m+1之间的筋条进行标记为
Figure BDA0003413142130000111
表示位于纵向筋条Zn上，被第m和第m+1根横向筋条分割的筋条小段；将交汇点An,m与An+1,m之间的筋条进行标记为
Figure BDA0003413142130000112
表示位于横向筋条Hm上，被第n和第n+1根纵向筋条分割的筋条小段；根据定义，横向筋条Hm由
Figure BDA0003413142130000113
首尾连接而成，纵向筋条Zn由
Figure BDA0003413142130000114
首尾连接而成，如图2所示。
在一个可能的实施例中，所述步骤2中，采用有限元仿真分析手段，运用壳单元或者实体单元对复合材料纵横加筋框进行有限元建模，网格尺寸根据网格收敛性分析结果确定；将复合材料整体纵横加筋框材料简化设置为各向同性材料，载荷条件依次设置为每一种载荷工况，边界条件根据复合材料整体纵横加筋框的实际边界进行简化处理，采用静力学线性分析方法计算得到每一种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框的纵向或横向加筋von Mises应力分布。
优选的，有限元单元类型为线性、有限薄膜应变、缩减积分的四边形壳单元；网格收敛性分析的应力误差阈值设置为5％；材料设置为铝合金材料；框缘边界条件设置为简支；静力学线性分析方法为Full Newton算法；von Mises应力提取独立节点(uniquenodal)应力。
在一个可能的实施例中，所述步骤3中，采用最大应力折减系数法提取并标记所有总体载荷工况下的重要总体载荷应力区，其方法为：假设共有I种总体载荷工况，针对任意第i(1≤i≤I)种总体载荷工况，将纵向或横向加筋von Mises应力分布中的应力负值取绝对值，考察任意纵向筋条Zn上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000115
在该总体载荷工况下的最大应力值，记为
Figure BDA0003413142130000116
将I个总体载荷工况下该筋条小段的最大应力值设为一个集合，定义该集合的最大值为
Figure BDA0003413142130000117
即
Figure BDA0003413142130000118
同理任意横向筋条Hm上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000119
在全部总体载荷工况下的最大应力值为
Figure BDA00034131421300001110
按照数值从大到小的顺序将全部纵向或横向加筋的筋条小段在全部总体载荷工况下的最大应力值smax排列，得到
Figure BDA0003413142130000121
其中数值2MN+M+N表示N个纵向筋条和M个横向筋条所包含的全部全部筋条小段的数量。定义最大应力折减系数η，其中0≤η≤1，若满足
Figure BDA0003413142130000122
Figure BDA0003413142130000123
其中1≤x≤2MN+M+N，则
Figure BDA0003413142130000124
所在的筋条小段定义为重要总体载荷应力区。
优选的，最大应力折减系数η取为0.8。
在一个可能的实施例中，所述步骤3中，采用最大应力折减系数法提取并标记所有局部载荷工况下的重要局部载荷应力区，其方法为：假设共有J种局部载荷工况，针对任意第j(1≤j≤J)种局部载荷工况，将纵向或横向加筋von Mises应力分布中的应力负值取绝对值，考察任意纵向筋条Zn上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000125
在该局部载荷工况下的最大应力值，记为
Figure BDA0003413142130000126
一般而言这类应力最大值都位于设备、作动筒、挂点等安装位置处。同理任意横向筋条Hm上的任意筋条小段
Figure BDA0003413142130000127
在第j种局部载荷工况下的最大应力值为
Figure BDA0003413142130000128
定义最大应力折减系数λ，其中0≤λ≤1，若满足
Figure BDA0003413142130000129
或者
Figure BDA00034131421300001210
则
Figure BDA00034131421300001211
或者
Figure BDA00034131421300001212
所在的筋条小段定义为第j种局部载荷工况下的重要局部载荷应力区。
优选的，最大应力折减系数λ取为0.8。
在一个可能的实施例中，所述步骤4中，根据重要总体载荷应力区确定纵向或横向总体传力路径位置，其方法为：若某根筋条上含有一处及一处以上的重要总体载荷应力区，则该整条筋条为纵向或横向总体传力路径。所述纵向或横向总体传力路径分为纵向总体传力路径和横向总体传力路径。假设共有
Figure BDA00034131421300001213
个筋条为横向总体传力路径，
Figure BDA00034131421300001214
个筋条为纵向总体传力路径。
Figure BDA00034131421300001215
个横向总体传力路径中，考察任意第m根横向筋条上的所有重要总体载荷应力区，比较这些重要总体载荷应力区中的应力，提取其最大值定义为smax|Hm。按照smax|Hm从大到小，依次将横向总体传力路径标记为
Figure BDA00034131421300001216
若其中存在多根横向筋条smax|Hm值相同，则按照一定顺序进行标记。同理，
Figure BDA00034131421300001217
个纵向总体传力路径中，按照纵向筋条所有重要总体载荷应力区的最大应力值smax|Zn从大到小，依次将纵向总体传力路径标记为
Figure BDA00034131421300001218
Figure BDA00034131421300001219
若其中存在多根纵向筋条smax|Zn值相同，则按照一定顺序进行标记。
优选的，若其中存在多根横向筋条smax|Hm值相同，按照从上到下顺序进行标记；若其中存在多根纵向筋条smax|Zn值相同，按照从左到右顺序进行标记。
在一个可能的实施例中，所述步骤4中，根据重要局部载荷应力区确定纵向或横向局部传力路径位置，其方法为：对任意第j种局部载荷工况，若某根筋条上含有一处及一处以上的重要局部载荷应力区，则该整条筋条为第j种局部载荷工况下的纵向或横向局部传力路径。所述纵向或横向局部传力路径分为纵向局部传力路径和横向局部传力路径。假设第j种局部载荷工况下共有
Figure BDA0003413142130000131
个筋条为横向局部传力路径，
Figure BDA0003413142130000132
个筋条为纵向局部传力路径。
Figure BDA0003413142130000133
个横向局部传力路径中，考察任意第m根横向筋条上的所有重要局部载荷应力区，比较这些重要局部载荷应力区中的应力，提取其最大值定义为qmax|Hm，按照qmax|Hm从大到小，依次将横向局部传力路径标记为
Figure BDA0003413142130000134
若其中存在多根横向筋条qmax|Hm值相同，则按照一定顺序进行标记。同理，
Figure BDA0003413142130000135
个纵向局部传力路径中，按照纵向筋条所有重要局部载荷应力区的最大应力值qmax|Zn从大到小，依次将纵向总体传力路径标记为
Figure BDA0003413142130000136
若其中存在多根纵向筋条qmax|Zn值相同，则按照一定顺序进行标记。
优选的，所述纵向或横向局部传力路径应位于纵向或横向总体传力路径上。
优选的，对于第j个局部载荷工况下的纵向或横向局部传力路径，对于重要局部载荷应力区中最大应力值qmax|Hm相同的横向筋条，按照从上到下顺序进行标记；对于重要局部载荷应力区中最大应力值qmax|Zn相同的纵向筋条，按照从左到右顺序进行标记。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，确定任意第j个局部载荷工况下的纵向局部传力路径
Figure BDA0003413142130000137
的连续长度方法为：对于任意
Figure BDA0003413142130000138
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure BDA0003413142130000139
位于交汇点An,m与An,m+1之间，则以最大应力值
Figure BDA00034131421300001310
所在筋条小段
Figure BDA00034131421300001311
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001312
筋条方向向两侧延伸，直到与
Figure BDA00034131421300001313
相邻的某一根交叉筋条截止。如果
Figure BDA00034131421300001314
位于交汇点An,m或者An,m+1上，则以最大应力值
Figure BDA00034131421300001315
所在交汇点位起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001316
筋条方向向两侧延伸，直到与
Figure BDA00034131421300001317
相邻的某一根交叉筋条截止。
优选的，
Figure BDA00034131421300001318
位于交汇点An,m与An,m+1之间时，纵向局部传力路径连续长度截止到与
Figure BDA0003413142130000141
相邻的第二根交叉筋条Hm-1、Hm+2为止。如图3所示。
优选的，
Figure BDA0003413142130000142
位于交汇点An,m或者An,m+1上时，纵向局部传力路径连续长度截止到与
Figure BDA0003413142130000143
相邻的第一根交叉筋条Hm-1、Hm+1(以An,m为起始点)或者Hm+1、Hm+2(以An,m+1为起始点)为止。如图4所示。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，确定任意第j个局部载荷工况下的横向局部传力路径
Figure BDA0003413142130000144
的连续长度方法为：对于任意
Figure BDA0003413142130000145
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure BDA0003413142130000146
位于交汇点An,m与An+1,m之间，则以最大应力值
Figure BDA0003413142130000147
所在筋条小段
Figure BDA0003413142130000148
为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000149
筋条方向向两侧延伸，直到与
Figure BDA00034131421300001410
相邻的某一根交叉筋条截止。如果
Figure BDA00034131421300001411
位于交汇点An,m、An+1,m上，则以最大应力值
Figure BDA00034131421300001412
所在交汇点位起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001413
筋条方向向两侧延伸，直到与
Figure BDA00034131421300001414
相邻的某一根交叉筋条截止。
优选的，
Figure BDA00034131421300001415
位于交汇点An,m与An+1,m之间时，纵向局部传力路径连续长度截止到与
Figure BDA00034131421300001416
相邻的第二根交叉筋条Zn-1、Zn+2为止。如图3所示。
优选的，
Figure BDA00034131421300001417
位于交汇点An,m、An+1,m上时，纵向局部传力路径连续长度截止到与
Figure BDA00034131421300001418
相邻的第一根交叉筋条Zn-1、Zn+1(以An,m为起始点)或者Zn、Zn+2(以An+1,m为起始点)为止。如图4所示。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，当同一筋条上不同纵向或横向局部传力路径的连续长度存在重叠时(首尾相连不算)，应将其整合为一条纵向或横向局部传力路径，即该传力路径的连续长度为原有几条局部传力路径的连续长度的叠加。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，应将全部纵向或横向总体传力路径按照其上重要总体载荷应力区的应力最大值smax|Hm和smax|Zn从小到大进行排列，按照该顺序依次计算纵向或横向总体传力路径的连续长度。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，确定纵向总体传力路径
Figure BDA00034131421300001419
的连续长度的方法为：对于任意纵向总体传力路径
Figure BDA00034131421300001420
其上任意重要总体载荷应力区
Figure BDA00034131421300001421
的最大应力值为
Figure BDA00034131421300001422
若
Figure BDA00034131421300001423
位于交汇点An,m与An,m+1之间，则以
Figure BDA00034131421300001424
所在筋条小段
Figure BDA0003413142130000151
为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000152
筋条方向向两侧延伸；若
Figure BDA0003413142130000153
位于交汇点An,m或者An,m+1上，则以交汇点An,m或者An,m+1为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000154
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止(如图5所示)：
(1)当延伸至任意
Figure BDA0003413142130000155
的任意重要总体载荷应力区与
Figure BDA0003413142130000156
的交汇点An,y时，若
Figure BDA0003413142130000157
小于
Figure BDA0003413142130000158
该处重要总体载荷应力区的最大应力值，则在An,y处截止；
(2)当延伸至外框缘H0或者HM+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向或横向局部传力路径(不含纵向或横向局部传力路径的两侧端点)时，在与该纵向或横向局部传力路径交汇处截止。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，当同一筋条上任意不同纵向总体传力路径之间、任意纵向总体传力路径与任意纵向局部传力路径之间的连续长度存在重叠(首尾相连不算)，应将其整合为一条纵向总体传力路径，即该传力路径的连续长度为原有几条传力路径的连续长度的叠加。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，确定横向总体传力路径
Figure BDA0003413142130000159
的连续长度的方法为：对于任意纵向总体传力路径
Figure BDA00034131421300001510
其上任意重要总体载荷应力区
Figure BDA00034131421300001511
的最大应力值为
Figure BDA00034131421300001512
若
Figure BDA00034131421300001513
位于交汇点An,m与An+1,m之间，则以
Figure BDA00034131421300001514
所在筋条小段
Figure BDA00034131421300001515
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001516
筋条方向向两侧延伸；若
Figure BDA00034131421300001517
位于交汇点An,m或者An+1,m上，则以交汇点An,m或者An+1,m为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001518
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止(如图5所示)：
(1)当延伸至任意
Figure BDA00034131421300001519
的任意重要总体载荷应力区与
Figure BDA00034131421300001520
的交汇点Ax,m时，若
Figure BDA00034131421300001521
小于
Figure BDA00034131421300001522
该处重要总体载荷应力区的最大应力值，则在Ax,m处截止；
(2)当延伸至外框缘Z0或者ZN+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向或横向局部传力路径(不含纵向或横向局部传力路径的两侧端点)时，在与该纵向或横向局部传力路径交汇处截止。
在一个可能的实施例中，所述步骤5中，当同一筋条上任意不同横向总体传力路径之间、任意横向总体传力路径与任意横向局部传力路径之间的连续长度存在重叠(首尾相连不算)，应将其整合为一条横向总体传力路径，即该传力路径的连续长度为原有几条传力路径的连续长度的叠加。
在一个可能的实施例中，在所述步骤6中，所述铺层设计方法为：对于所述纵向或横向总体传力路径和纵向或横向局部传力路径上的纵向或横向筋条，在其连续长度内，连续铺层的厚度不低于该处筋条总厚度的25％；外框缘的连续铺层的厚度不低于该处外框缘总厚度的25％；筋条断开方向上应增加补偿层以满足筋条厚度设计要求。
实施例一
所述一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，包含以下步骤：
确定复合材料整体纵横加筋框的载荷工况、纵向和横向加筋布局、加筋板尺寸参数。所述复合材料整体纵横加筋框的纵向和横向加筋布局为：纵/横向两根筋条、带外缘条的单面纵横加筋框，如图6(a)所示。所述加筋板尺寸参数为：加筋板长、宽600mm，纵/横加筋筋条间距200mm，腹板、筋条、缘条厚度4mm，筋条、缘条高度30mm。所述载荷工况为：总体载荷工况只有一种，为纵向面内压缩载荷，无局部载荷工况。按照从左到右，从上到下顺序对该加筋框进行标记，如图6(b)所示。
采用ABAQUS有限元软件对上述加筋框结构进行静力学线性分析，计算其纵向或横向加筋的von Mises应力。有限元单元类型为线性、有限薄膜应变、缩减积分的四边形壳单元；网格收敛性分析的应力误差阈值设置为5％，网格尺寸取为2mmx2mm；材料设置为铝合金材料；框缘边界条件设置为简支；静力学线性分析方法为Full Newton算法。计算并提取所有纵向和横向筋条小段上的最大应力值，
Figure BDA0003413142130000161
其中n取1、2，m取1，如图7(a)所示
根据所有纵向和横向筋条小段上的最大应力值，得到筋条最大应力值位于纵向筋条上，smax|Zn为120Mpa，即
Figure BDA0003413142130000162
取最大应力折减系数η为0.8，则所有
Figure BDA0003413142130000163
的筋条小段都定义为重要总体载荷应力区，如图7(b)所示。
按照重要总体载荷应力区定义，将两条纵向筋条定义为纵向总体传力路径，按照从左到右的顺序将两条纵向总体传力路径位置分别标记为
Figure BDA0003413142130000164
和
Figure BDA0003413142130000165
如图7(b)所示。
从
Figure BDA0003413142130000166
开始，以
Figure BDA0003413142130000167
为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000168
筋条方向上下延伸，直至上下两框缘为止来确定
Figure BDA0003413142130000169
的连续长度；之后以
Figure BDA00034131421300001610
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001611
筋条方向上下延伸，直至上下两框缘为止来确定
Figure BDA00034131421300001612
的连续长度，如图8(a)所示；
对实施例1进行铺层设计，如图8(b)所示，图中每一条实线表示厚度为1mm的铺层集，纵向或横向总体传力路径的两个纵向筋条，在其连续长度包含2mm的连续层，连续铺层的厚度占该筋条的总厚度的比例为50％，所述横向筋条断开方向上增加2mm的补偿层以保证横向筋条厚度4mm，所述加筋板外框缘包含2mm的连续层，连续铺层的厚度占该框缘的总厚度的比例为50％。
实施例二
所述一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，包含以下步骤：
确定复合材料整体纵横加筋框的载荷工况、纵向和横向加筋布局、加筋板尺寸参数。所述复合材料整体纵横加筋框的纵向和横向加筋布局为：纵/横向两根筋条、带外缘条的单面纵横加筋框，如图9(a)。所述加筋板尺寸参数为：加筋板长、宽600mm，纵/横加筋筋条间距200mm，腹板、筋条、缘条厚度4mm，筋条、缘条高度30mm。所述载荷工况为：总体载荷工况只有一种，为纵向面内压缩载荷；局部载荷工况只有一种，为设备安装载荷(筋条上安装点的横向集中力)。按照从左到右，从上到下顺序对该加筋框进行标记，如图9(b)所示。
采用ABAQUS有限元软件对上述加筋框结构进行静力学线性分析，计算其纵向或横向加筋的von Mises应力。有限元单元类型为线性、有限薄膜应变、缩减积分的四边形壳单元；网格收敛性分析的应力误差阈值设置为5％，网格尺寸取为2mmx2mm；材料设置为铝合金材料；框缘边界条件设置为简支；静力学线性分析方法为Full Newton算法。计算并提取全部总体载荷工况下所有纵向和横向筋条小段上的最大应力值，
Figure BDA0003413142130000171
其中n取1、2，m取1，如图10(a)所示。计算并提取各个局部载荷工况下所有纵向和横向筋条小段上的最大应力值，
Figure BDA0003413142130000172
其中j取1，n取0、2，m取2，如图11(a)所示。
根据所有总体载荷工况下的所有纵向和横向筋条小段上的最大应力值，得到最大应力值位于纵向筋条上，smax|Zn为120Mpa，即
Figure BDA0003413142130000173
取最大应力折减系数η为0.8，则所有
Figure BDA0003413142130000174
的筋条小段都定义为重要总体载荷应力区，如图10(b)所示。取最大应力折减系数λ为0.8，则所有
Figure BDA0003413142130000175
或者
Figure BDA0003413142130000176
的筋条小段都定义为重要局部载荷应力区，如图11(b)所示。
按照重要总体载荷应力区定义，将两条纵向筋条定义为纵向总体传力路径，按照从左到右的顺序将两条纵向总体传力路径位置分别标记为
Figure BDA0003413142130000181
和
Figure BDA0003413142130000182
如图10(b)所示。按照重要局部载荷应力区定义，将H2横向筋条定义为局部载荷工况1下的横向局部传力路径，标记为
Figure BDA0003413142130000183
如图11(b)所示。
首先确定局部传力路径的连续长度。从
Figure BDA0003413142130000184
开始，以
Figure BDA0003413142130000185
为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000186
筋条方向左右延伸，左侧延伸至左框缘，右侧延伸至
Figure BDA0003413142130000187
相邻的第二根纵向筋条Z2上；以
Figure BDA0003413142130000188
为起始点，沿着
Figure BDA0003413142130000189
筋条方向左右延伸，右侧延伸至右框缘，左侧延伸至
Figure BDA00034131421300001810
相邻的第二根纵向筋条Z1上。由于两个纵向局部传力路径连续长度有重叠，因此取两个连续长度的并集，得到最终的
Figure BDA00034131421300001811
上的唯一一条连续长度。随后确定总体传力路径的连续长度。从
Figure BDA00034131421300001812
开始，以
Figure BDA00034131421300001813
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001814
筋条方向上下延伸，上边延伸至上框缘，下边延伸至
Figure BDA00034131421300001815
连续长度处截止；之后以
Figure BDA00034131421300001816
为起始点，沿着
Figure BDA00034131421300001817
筋条方向上下延伸，上边延伸至上框缘，下边延伸至
Figure BDA00034131421300001818
连续长度处截止，如图12(a)所示。
根据所述实施例2纵向或横向加筋板筋条连续方向和连续长度进行铺层设计，如图12(b)所示，图中每一条实线表示厚度为1mm的铺层集，所述
Figure BDA00034131421300001819
和
Figure BDA00034131421300001820
纵向筋条在总体传力路径连续长度上包含2mm的连续层，连续铺层的厚度占该筋条的总厚度的比例为50％。所述
Figure BDA00034131421300001821
横向筋条在连续长度上包含1mm的连续层，连续铺层的厚度占该筋条的总厚度的比例为25％。所述纵/横向筋条在断开方向上增加2mm的补偿层以保证筋条厚度4mm，所述加筋板外缘条包含2mm的连续层，连续铺层的厚度占该缘条的总厚度的比例为50％。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定复合材料整体纵横加筋框的载荷工况、纵横加筋布局、加筋板尺寸参数，按照规定顺序对框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向和横向筋条交汇点进行标记；
步骤2：对复合材料整体纵横加筋框在各种载荷工况下的受力情况进行静力学分析，得到各种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框上纵向和横向筋条的应力分布；
步骤3：根据各种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框上纵向和横向筋条的应力分布，采用最大应力折减系数法提取并标记纵向和横向筋条上的重要总体载荷应力区和重要局部载荷应力区；
步骤4：根据复合材料整体纵横加筋框的重要总体载荷应力区和重要局部载荷应力区，确定纵向和横向总体传力路径、纵向和横向局部传力路径位置；
步骤5：根据复合材料整体纵横加筋框重要局部载荷应力区、纵向和横向局部传力路径位置，分别确定纵向和横向局部传力路径的连续长度；根据复合材料整体纵横加筋框重要总体载荷应力区、纵向和横向总体传力路径位置，分别确定纵向和横向总体传力路径的连续长度；
步骤6：根据各条纵向和横向总体主传力路径、纵向和横向局部传力路径的连续长度进行铺层设计。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述步骤1中，所述复合材料整体纵横加筋框的框缘、纵向筋条、横向筋条及纵向和横向筋条交汇点标记方法如下：
根据从上到下、从左到右的顺序对加筋框的外缘条、纵向或横向筋条进行标记；其中，按照从上到下的顺序，横向外框缘和横向筋条依次标记为H0、H1、H2、……Hm、……HM+1，其中M为横向筋条的数量，1≤m≤M；H0表示为最上侧的外框缘，HN+1表示为最下侧的外框缘；H1、H2、……Hm、……HM表示从上到下第1、2、……、m、……M根横向筋条；同理，按照从左到右的顺序，将纵向外框缘和纵向筋条依次标记为Z0、Z1、Z2、……Zn、……ZN+1，其中N为纵向筋条的数量，1≤n≤N；按照从上到下、从左到右的顺序，将纵向和横向筋条之间的交汇点标记为An,m，表示第n根纵向筋条与第m根横向筋条之间的交汇点；框缘与框缘之间、框缘与筋条之间交汇点的标记方法同理；按照从上到下，从左到右的顺序，将交汇点An,m与An,m+1之间的筋条进行标记为
Figure FDA0003413142120000021
表示位于纵向筋条Zn上，被第m和第m+1根横向筋条分割的筋条小段；将交汇点An,m与An+1,m之间的筋条进行标记为
Figure FDA0003413142120000022
表示位于横向筋条Hm上，被第n和第n+1根纵向筋条分割的筋条小段；根据定义，横向筋条Hm由
Figure FDA0003413142120000023
Figure FDA0003413142120000024
首尾连接而成，纵向筋条Zn由
Figure FDA0003413142120000025
首尾连接而成。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述步骤2中，采用有限元仿真分析手段，运用壳单元或者实体单元对复合材料纵横加筋框进行有限元建模，网格尺寸根据网格收敛性分析结果确定；将复合材料整体纵横加筋框材料简化设置为各向同性材料，载荷条件依次设置为每一种载荷工况，边界条件根据复合材料整体纵横加筋框的实际边界进行简化处理，采用静力学线性分析方法计算得到每一种载荷工况下复合材料整体纵横加筋框的纵向和横向筋条von Mises应力分布。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述步骤3中，采用最大应力折减系数法提取并标记所有总体载荷工况下的重要总体载荷应力区，其方法为：假设共有I种总体载荷工况，针对任意第i种总体载荷工况，其中，1≤i≤I，将纵向和横向筋条von Mises应力分布中的应力负值取绝对值，考察任意纵向筋条Zn上的任意筋条小段
Figure FDA0003413142120000026
在该总体载荷工况下的最大应力值，记为
Figure FDA0003413142120000027
将I个总体载荷工况下该筋条小段的最大应力值设为一个集合，定义该集合的最大值为
Figure FDA0003413142120000031
即
Figure FDA0003413142120000032
同理任意横向筋条Hm上的任意筋条小段
Figure FDA0003413142120000033
在全部总体载荷工况下的最大应力值为
Figure FDA0003413142120000034
按照数值从大到小的顺序将全部纵向和横向筋条的筋条小段在全部总体载荷工况下的最大应力值smax排列，得到
Figure FDA0003413142120000035
其中数值2MN+M+N表示N个纵向筋条和M个横向筋条所包含的全部全部筋条小段的数量；定义最大应力折减系数η，其中0≤η≤1，若满足
Figure FDA0003413142120000036
其中1≤x≤2MN+M+N，则
Figure FDA0003413142120000037
所在的筋条小段定义为重要总体载荷应力区；
采用最大应力折减系数法提取并标记所有局部载荷工况下的重要局部载荷应力区，其方法为：假设共有J种局部载荷工况，针对任意第j种局部载荷工况，其中，1≤j≤J，将纵向和横向筋条von Mises应力分布中的应力负值取绝对值，考察任意纵向筋条Zn上的任意筋条小段
Figure FDA0003413142120000038
在该局部载荷工况下的最大应力值，记为
Figure FDA0003413142120000039
同理任意横向筋条Hm上的任意筋条小段
Figure FDA00034131421200000310
在第j种局部载荷工况下的最大应力值为
Figure FDA00034131421200000311
定义最大应力折减系数λ，其中0≤λ≤1，若满足
Figure FDA00034131421200000312
或者
Figure FDA00034131421200000313
则
Figure FDA00034131421200000314
或者
Figure FDA00034131421200000315
所在的筋条小段定义为第j种局部载荷工况下的重要局部载荷应力区。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述步骤4中，根据重要总体载荷应力区确定纵向或横向总体传力路径位置，其方法为：若某根筋条上含有一处及一处以上的重要总体载荷应力区，则该整条筋条为纵向或横向总体传力路径；所述纵向或横向总体传力路径分为纵向总体传力路径和横向总体传力路径；假设共有
Figure FDA00034131421200000316
个筋条为横向总体传力路径，
Figure FDA00034131421200000317
个筋条为纵向总体传力路径；
Figure FDA00034131421200000318
个横向总体传力路径中，考察任意第m根横向筋条上的所有重要总体载荷应力区，比较这些重要总体载荷应力区中的应力，提取其最大值定义为smax|Hm；按照smax|Hm从大到小，依次将横向总体传力路径标记为
Figure FDA0003413142120000041
同理，
Figure FDA0003413142120000042
个纵向总体传力路径中，按照纵向筋条所有重要总体载荷应力区的最大应力值smax|Zn从大到小，依次将纵向总体传力路径标记为
Figure FDA0003413142120000043
根据重要局部载荷应力区确定纵向或横向局部传力路径位置，其方法为：对任意第j种局部载荷工况，若某根筋条上含有一处及一处以上的重要局部载荷应力区，则该整条筋条为第j种局部载荷工况下的纵向或横向局部传力路径；所述纵向或横向局部传力路径分为纵向局部传力路径和横向局部传力路径；假设第j种局部载荷工况下共有
Figure FDA0003413142120000044
个筋条为横向局部传力路径，
Figure FDA0003413142120000045
个筋条为纵向局部传力路径；
Figure FDA0003413142120000046
个横向局部传力路径中，考察任意第m根横向筋条上的所有重要局部载荷应力区，比较这些重要局部载荷应力区中的应力，提取其最大值定义为
Figure FDA0003413142120000047
按照
Figure FDA0003413142120000048
从大到小，依次将横向局部传力路径标记为
Figure FDA0003413142120000049
Figure FDA00034131421200000410
同理，
Figure FDA00034131421200000411
个纵向局部传力路径中，按照纵向筋条所有重要局部载荷应力区的最大应力值
Figure FDA00034131421200000412
从大到小，依次将纵向局部传力路径标记为
Figure FDA00034131421200000413
Figure FDA00034131421200000414
6.根据权利要求5所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述步骤5中，提取任意第j个局部载荷工况下的所有纵向局部传力路径
Figure FDA00034131421200000415
和所有横向局部传力路径
Figure FDA00034131421200000416
上所有重要局部载荷应力区的应力最大值，记为
Figure FDA00034131421200000417
其中1≤j≤J，即
Figure FDA00034131421200000418
按照数值从大到小对进行
Figure FDA00034131421200000419
排列，按照该顺序依次计算第j个局部载荷工况下纵向或横向局部传力路径的连续长度；
确定任意第j个局部载荷工况下的纵向局部传力路径
Figure FDA00034131421200000420
的连续长度方法为，其中，
Figure FDA0003413142120000051
对于任意
Figure FDA0003413142120000052
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure FDA0003413142120000053
如果位于交汇点An,m与An,m+1之间，则以最大应力值
Figure FDA0003413142120000054
所在筋条小段
Figure FDA0003413142120000055
为起始点，沿着
Figure FDA0003413142120000056
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure FDA0003413142120000057
相邻的第t1根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘H0或者HM+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意横向局部传力路径的任意连续长度内，不含横向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该横向局部传力路径连续长度的交汇处截止；
对于任意
Figure FDA0003413142120000058
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure FDA0003413142120000059
如果位于交汇点An,m或者An,m+1上，则以最大应力值
Figure FDA00034131421200000510
所在交汇点位起始点，沿着
Figure FDA00034131421200000511
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure FDA00034131421200000512
相邻的第t2根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘H0或者HM+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意横向局部传力路径的任意连续长度内，不含横向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该横向局部传力路径连续长度的交汇处截止；
确定任意第j个局部载荷工况下的横向局部传力路径
Figure FDA00034131421200000513
的连续长度方法为，其中，
Figure FDA00034131421200000514
对于任意
Figure FDA00034131421200000515
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure FDA00034131421200000516
如果位于交汇点An,m与An+1,m之间，则以最大应力值
Figure FDA00034131421200000517
所在筋条小段
Figure FDA00034131421200000518
为起始点，沿着
Figure FDA00034131421200000519
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure FDA00034131421200000520
相邻的第t3根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘Z0或者ZN+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向局部传力路径的任意连续长度内，不含纵向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该纵向局部传力路径连续长度的交汇处截止；
对于任意
Figure FDA0003413142120000061
其上任意重要局部载荷应力区最大应力值
Figure FDA0003413142120000062
如果位于交汇点An,m、An+1,m上，则以最大应力值
Figure FDA0003413142120000063
所在筋条小段
Figure FDA0003413142120000064
为起始点，沿着
Figure FDA0003413142120000065
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)延伸至与
Figure FDA0003413142120000066
相邻的第t4根横向筋条截止；
(2)当延伸至外框缘Z0或者ZN+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向局部传力路径的任意连续长度内，不含纵向局部传力路径连续长度的两侧端点，在与该纵向局部传力路径连续长度的交汇处截止。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述步骤5中，应将全部纵向和横向总体传力路径按照其上所有重要总体载荷应力区的应力最大值smax|Hm和smax|Zn从小到大进行排列，按照该顺序依次计算纵向或横向总体传力路径的连续长度；
确定纵向总体传力路径
Figure FDA0003413142120000067
的连续长度的方法为，其中，
Figure FDA0003413142120000068
对于任意纵向总体传力路径
Figure FDA0003413142120000069
其上任意重要总体载荷应力区
Figure FDA00034131421200000610
的最大应力值为
Figure FDA00034131421200000611
若
Figure FDA00034131421200000612
位于交汇点An,m与An,m+1之间，则以
Figure FDA00034131421200000613
所在筋条小段
Figure FDA00034131421200000614
为起始点，沿着
Figure FDA00034131421200000615
筋条方向向两侧延伸；若
Figure FDA00034131421200000616
位于交汇点An,m或者An,m+1上，则以交汇点An,m或者An,m+1为起始点，沿着
Figure FDA00034131421200000617
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)当延伸至任意
Figure FDA00034131421200000618
的任意重要总体载荷应力区与
Figure FDA00034131421200000619
的交汇点An,y时，其中，
Figure FDA00034131421200000620
若
Figure FDA00034131421200000621
小于
Figure FDA00034131421200000622
该处重要总体载荷应力区的最大应力值，则在An,y处截止；
(2)当延伸至外框缘H0或者HM+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向或横向局部传力路径时，不含纵向或横向局部传力路径的两侧端点，在与该纵向或横向局部传力路径交汇处截止；
确定横向总体传力路径
Figure FDA0003413142120000071
的连续长度的方法为：对于任意纵向总体传力路径
Figure FDA0003413142120000072
其上任意重要总体载荷应力区
Figure FDA0003413142120000073
的最大应力值为
Figure FDA0003413142120000074
若
Figure FDA0003413142120000075
位于交汇点An,m与An+1,m之间，则以
Figure FDA0003413142120000076
所在筋条小段
Figure FDA0003413142120000077
为起始点，沿着
Figure FDA0003413142120000078
筋条方向向两侧延伸；若
Figure FDA0003413142120000079
位于交汇点An,m或者An+1,m上，则以交汇点An,m或者An+1,m为起始点，沿着
Figure FDA00034131421200000710
筋条方向向两侧延伸，直至如下情况时截止：
(1)当延伸至任意
Figure FDA00034131421200000711
其中，
Figure FDA00034131421200000712
的任意重要总体载荷应力区与
Figure FDA00034131421200000713
的交汇点Ax,m时，若
Figure FDA00034131421200000714
小于
Figure FDA00034131421200000715
该处重要总体载荷应力区的最大应力值，则在Ax,m处截止；
(2)当延伸至外框缘Z0或者ZN+1，在外框缘截止；
(3)当延伸至任意纵向或横向局部传力路径时，不含纵向或横向局部传力路径的两侧端点，在与该纵向或横向局部传力路径交汇处截止。
8.根据权利要求6或7任意一项所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述步骤5中，当同一纵向筋条或同一横向筋条上不同局部或总体传力路径的连续长度存在重叠时，点重叠不算，应将其整合为一条局部或总体传力路径，即该传力路径的连续长度为原有几条局部或总体传力路径的连续长度的并集。
9.根据权利要求8所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，在所述步骤8中所述的一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法，其特征在于，所述铺层设计方法为：对于所述纵向或横向总体传力路径、纵向或横向局部传力路径上的纵向或横向筋条，在其连续长度内，连续铺层的厚度不低于该处筋条总厚度的25％；外框缘的连续铺层的厚度不低于该处外框缘总厚度的25％；筋条断开方向上应增加补偿层以满足筋条厚度设计要求。
CN202111537060.3A 2021-12-15 2021-12-15 一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法 Pending CN114357826A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111537060.3A CN114357826A (zh) 2021-12-15 2021-12-15 一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111537060.3A CN114357826A (zh) 2021-12-15 2021-12-15 一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114357826A true CN114357826A (zh) 2022-04-15

Family

ID=81100051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111537060.3A Pending CN114357826A (zh) 2021-12-15 2021-12-15 一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114357826A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115169008A (zh) * 2022-07-27 2022-10-11 中车成型科技(青岛)有限公司 混合材料车体工程化轻量化方法及系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115169008A (zh) * 2022-07-27 2022-10-11 中车成型科技(青岛)有限公司 混合材料车体工程化轻量化方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lund Discrete material and thickness optimization of laminated composite structures including failure criteria
JP5722045B2 (ja) 湾曲した外形を有する複合部品
Lee et al. Successive 3D FE analysis technique for characterization of fatigue crack growth behavior in composite-repaired aluminum plate
US9011616B2 (en) Optimizing the shape of a composite structure
Xu et al. Transverse shear stiffness of composite honeycomb core with general configuration
Stenius et al. On structural design of energy efficient small high-speed craft
Sjølund et al. Discrete material and thickness optimization of sandwich structures
CN105184390A (zh) 一种壁板结构静强度、刚度、稳定性的综合优化方法
CN105335582A (zh) 一种飞机复材壁板重量分析建模方法
CN114357826A (zh) 一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法
Peeters et al. High-fidelity finite element models of composite wind turbine blades with shell and solid elements
Sonu et al. Shear characteristics of Lean Duplex Stainless Steel (LDSS) rectangular hollow beams
CN106202597B (zh) 一种复合材料加筋壁板结构优化分析方法
CN107122539A (zh) 一种基于连续变向钢筋混凝土柱结构体系的设计方法
CN110852012A (zh) 轴压加筋板极限强度预测方法
Ghasemi et al. Interfacial shear stress optimization in sandwich beams with polymeric core using non-uniform distribution of reinforcing ingredients
CN103678763A (zh) 复合材料机翼气动弹性剪裁方法及其遗传/敏度混合优化方法
El-Sagheer et al. Flexural and fracture behaviors of functionally graded long fibrous polymeric composite beam-like specimens
Wittenberg et al. Design of fiber metal laminate shear panels for ultra-high capacity aircraft
Van den Brink et al. Design for manufacturing of fuselage panels with curved grid stiffening
CN108193600A (zh) 提高大跨连续刚构桥抗裂性能的方法和组合结构箱梁
CN115630458A (zh) 一种基于弹性地基梁理论的现浇连续梁的方法及其应用
US9707735B2 (en) Layered sandwich structure
Jasion et al. Buckling and post-buckling behaviour of selected cold-formed C-beams with atypical flanges
Bao et al. Cutout effects of in-plane loaded lattice-core sandwich panels

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