CN114428983A - 一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法 - Google Patents
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Abstract
种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，包括待测双稳态曲线纤维层合板，双稳态曲线纤维层合板具有曲线纤维路径，其特征在于，包括以下步骤：确定复合材料层合板的设计参数，确定曲线纤维路径的角度参数，建立复合材料层合板的稳态分析模型，建立Abaqus二次开发插件，仿真验证复合材料壳的稳态特性；与现有技术相比，通过设置纤维初始角和纤维终止角两个设计变量，根据纤维初始角和纤维终止角两个设计变量设计不同曲线路径的双稳态变角度层合板，丰富了复合材料设计的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及符合材料结构设计领域，具体涉及一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法。
背景技术
双稳态复合材料结构由于其轻质、力学性能好等优点，还有其独特的双稳态行为，在航空航天、能量收集、仿生结构等领域得到广泛应用。
在实际的变形场合中，双稳态复合材料结构通常是用传统的直线纤维复合材料层合板实现，其纤维以直线的形式铺放，虽然直线纤维铺放设计流程简单且能满足一般的工程要求，但却在很大程度上限制了复合材料设计的灵活性，不能很好的利用复合材料方向性的特点。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种仿真验证、设计灵活的双稳态曲线纤维层合板的设计方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，包括待测双稳态曲线纤维层合板，双稳态曲线纤维层合板具有曲线纤维路径，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：确定复合材料层合板的设计参数，确定曲线纤维路径的角度参数：
其中，T0位于复合材料层合板中心处，为纤维参考路径的初始角，T1为距离复合材料层合板中心a/2处的平板边缘角度，d表示平板中心到边界的距离，X为纤维铺放角随指随x轴线性变化的曲线路径位置；
步骤B：建立复合材料层合板的稳态分析模型，针对步骤A给出的确定性设计参数建立复合材料层合板的稳态分析模型，应用经典层合板理论求解出层合板的拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵；
对于变角度层合板，拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵是关于x，y的函数，根据里兹法设定适合的中面应变函数和面外位移函数后，可求得层合板的总势能，再根据最小势能原理，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数，最后根据构件雅可比矩阵的正定性来判定解的稳定性和稳态数量，模型如下：
步骤C：建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m块微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，实现“以直代曲”；
步骤D：仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤A的设计参数创建变角度层合板，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层，通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，与分析模型作比较，来验证稳态数量和稳态曲率的误差。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤A中复合材料层合板的设计参数包括复合材料层合板的材料参数、铺层情况、总体尺寸及曲线纤维路径。
作为本发明的一种优选方案，所述铺层情况包括铺层的层数n和铺设方式，铺设方式包括正对称铺设、反对称铺设和正交铺设。
作为本发明的一种优选方案，所述总体尺寸为复合材料层合板的长度和宽度。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤A中变角度层合板的参数包括纤维方向弹性模量E1、纤维横向弹性模量E2、面内泊松比v12、面内剪切模量G12、单层板的厚度ts、纤维方向的热膨胀系数α1和纤维横向热膨胀系数α2。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤C借助Abaqus二次开发接口Python来完成，输入固定的参数如：层合板的长宽、层合板厚度、旋转角和角度参数实现自动建立模型。
作为本发明的一种优选方案，在没有外部力加持下，层合板能保持两种稳态构型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设置纤维初始角和纤维终止角两个设计变量，根据纤维初始角和纤维终止角两个设计变量设计不同曲线路径的双稳态变角度层合板，丰富了复合材料设计的灵活性。
附图说明
图1是本发明的曲线纤维层合板的示意图；
图2是本发明的纤维角度的定义；
图3是本发明的Abaqus二次开发插件的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1-3所示，一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，包括待测双稳态曲线纤维层合板，双稳态曲线纤维层合板具有曲线纤维路径，复合材料层合板由变角度层合板叠合而成，变角度层合板的参数包括纤维方向弹性模量E1、纤维横向弹性模量E2、面内泊松比v12、面内剪切模量G12、单层板的厚度ts、纤维方向的热膨胀系数α1和纤维横向热膨胀系数α2。
包括以下步骤：
步骤A：确定复合材料层合板的设计参数，包括复合材料层合板的材料参数、铺层情况、总体尺寸及曲线纤维路径，铺层情况包括铺层的层数n和铺设方式，铺设方式包括正对称铺设、反对称铺设和正交铺设，总体尺寸为复合材料层合板的长度和宽度，确定曲线纤维路径的角度参数：
其中，线性变化的曲线纤维相关的角度参数主要有T0和T1，T0位于复合材料层合板中心处，为纤维参考路径的初始角，一般简称为初始角，T1为距离复合材料层合板中心a/2处的平板边缘角度，称为纤维参考路径的终止角，一般简称为终止角，d表示平板中心到边界的距离，X为纤维铺放角随指随x轴线性变化的曲线路径位置。
曲线纤维路径指的是一种纤维铺放角随指随x轴线性变化的曲线路径，这种线性变化的曲线对制造约束的适应性更强，也有助于建立更简单的分析模型。
步骤B：建立复合材料层合板的稳态分析模型，针对步骤A给出的确定性设计参数建立复合材料层合板的稳态分析模型，应用经典层合板理论求解出层合板的拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵；
对于变角度层合板，拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵是关于x，y的函数，根据里兹法设定适合的中面应变函数和面外位移函数后，可求得层合板的总势能，再根据最小势能原理，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数，最后根据构件雅可比矩阵的正定性来判定解的稳定性和稳态数量，模型如下：
步骤C：建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m块微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，实现“以直代曲”，借助Abaqus二次开发接口Python来完成，输入固定的参数如：层合板的长宽、层合板厚度、旋转角和角度参数实现自动建立模型。
步骤D：仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤A的设计参数创建变角度层合板，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层，通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，与分析模型作比较，来验证稳态数量和稳态曲率的误差。
在没有外部力加持下，层合板能保持两种稳态构型。
在实际使用过程中，确定变角度层合板的各参数，包括复合材料层合板的材料参数、铺层情况、总体尺寸及曲线纤维路径的角度参数，例如纤维方向弹性模量E1＝138GPa，纤维横向弹性模量E2＝8.36GPa，面内泊松比v12＝0.27，面内剪切模量G12＝4.51GPa，纤维方向的热膨胀系数α1＝-0.000000106/℃，纤维横向热膨胀系数α2＝0.0000256/℃，单层板的厚度ts＝0.45mm，铺层数总共2层，铺层方式采用类似[0/90]的正交铺设，层合板的形状为正方形，边长为150mm。曲线纤维路径的角度参数T0＝-T1，T0分别取5°，10°，15°，20°。
根据经典层合板理论，利用步骤A所确定的材料参数和角度函数，求得复合材料层合板的拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵，随后确定适合的面外位移函数和中面应变函数后，根据步骤A中的公式
对整个层合板积分后可求得整个层合板的总体势能，势能则可由14个未知参数来表示，最后根据最小势能原理求解，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数。
最后，根据构建雅可比矩阵的正定性来判定解的稳定性和稳态数量。借助Mathematica软件求解得到有两个稳态解，分别为：
K1＝[0.00670977]
K2＝[0.00680981]。
建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m个微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，“以直代曲”。如果手动地为每个单元赋值，工作量非常大，因此需要借助Abaqus二次开发接口Python来完成，只需输入固定的参数如：层合板的长宽；层合板厚度；角度参数和网格数目等就能自动建立模型并提交作业。
仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤1的设计参数绘制复合材料层合板结构，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层。
通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，有：
K1＝[0.00663994]
K2＝[0.00667558]。
通过有限元验证，验证了理论模型的准确性，都为双稳态，曲率结果误差不大，
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (7)
1.一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，包括待测双稳态曲线纤维层合板，双稳态曲线纤维层合板具有曲线纤维路径，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：确定复合材料层合板的设计参数，确定曲线纤维路径的角度参数：
其中，T0位于复合材料层合板中心处，为纤维参考路径的初始角，T1为距离复合材料层合板中心a/2处的平板边缘角度，d表示平板中心到边界的距离，X为纤维铺放角随指随x轴线性变化的曲线路径位置；
步骤B：建立复合材料层合板的稳态分析模型，针对步骤A给出的确定性设计参数建立复合材料层合板的稳态分析模型，应用经典层合板理论求解出层合板的拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵；
对于变角度层合板，拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵是关于x，y的函数，根据里兹法设定适合的中面应变函数和面外位移函数后，可求得层合板的总势能，再根据最小势能原理，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数，最后根据构件雅可比矩阵的正定性来判定解的稳定性和稳态数量，模型如下：
步骤C：建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m块微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，实现“以直代曲”；
步骤D：仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤A的设计参数创建变角度层合板，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层，通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，与分析模型作比较，来验证稳态数量和稳态曲率的误差。
2.根据权利要求1所述的一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，其特征在于，所述步骤A中复合材料层合板的设计参数包括复合材料层合板的材料参数、铺层情况、总体尺寸及曲线纤维路径。
3.根据权利要求2所述的一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，其特征在于，所述铺层情况包括铺层的层数n和铺设方式，铺设方式包括正对称铺设、反对称铺设和正交铺设。
4.根据权利要求2所述的一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，其特征在于，所述总体尺寸为复合材料层合板的长度和宽度。
5.根据权利要求1所述的一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，其特征在于，所述步骤A中变角度层合板的参数包括纤维方向弹性模量E1、纤维横向弹性模量E2、面内泊松比v12、面内剪切模量G12、单层板的厚度ts、纤维方向的热膨胀系数α1和纤维横向热膨胀系数α2。
6.根据权利要求1所述的一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，其特征在于，所述步骤C借助Abaqus二次开发接口Python来完成，输入固定的参数如：层合板的长宽、层合板厚度、旋转角和角度参数实现自动建立模型。
7.根据权利要求1所述的一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，其特征在于，在没有外部力加持下，层合板能保持两种稳态构型。
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| CN202210096986.1A CN114428983A (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法 |
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| CN (1) | CN114428983A (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118094670A (zh) * | 2024-04-28 | 2024-05-28 | 华南理工大学 | 一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法 |
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2022
- 2022-01-27 CN CN202210096986.1A patent/CN114428983A/zh active Pending
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| CN118094670A (zh) * | 2024-04-28 | 2024-05-28 | 华南理工大学 | 一种非均匀厚度多稳态结构的缓冲吸能性能优化设计方法 |
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