CN114741846B - 一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法,包括建立原始钛合金支撑结构三维模型、建立复合材料支撑结构的初始模型、对复合材料支撑结构进行三个阶段优化、对复合材料支撑结构的初始模型进行对应修改设计以及完成复合材料支撑结构的最终设计。本发明公开的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，可以对使用复合材料的支撑结构进行设计，能够实现大幅度降低传统钛合金支撑结构的热膨胀量，具有操作便捷、设计效果好以及应用范围广的特点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制造领域，尤其是涉及一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法。
背景技术
在工程技术中有许多精密机械，例如光学仪器、传动机构等，它们的工作环境可能会有较大的温度变化，为了确保精密机械的正常工作，就需要其支撑结构或直接连接机构在温度变化中，依旧能够保证一定程度内的原有设计尺寸，即在温度变化过程中有超低的热膨胀量。在现有技术条件下，通常采用的解决方法是选择具有低热膨胀系数的材料作为支撑结构的原材料，例如使用钛合金，但采用钛合金的支撑构件，依旧不能达到超低热膨胀量甚至零热膨胀的工艺要求，因此在工程技术中使用复合材料来代替钛合金材料作为支撑结构的主要材料，成为了行业内关注的焦点，但经过研究发现，影响复合材料结构热膨胀系数的因素有很多，如纤维与基体种类、铺层角度、铺层厚度以及铺层形状等，因此如何进行使用复合材料的支撑结构设计成为了迫切需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，为复合材料支撑结构的设计提供了科学的方法，具有操作便捷、设计效果好以及应用范围广的特点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，包括如下步骤：
步骤一：建立原始钛合金支撑结构三维模型：在CATIA软件中建立原始钛合金支撑结构三维模型并生成CATPart文件，把CATPar文件导入到Abaqus软件中，设定钛合金材料属性、划分网格、边界条件以及热载荷温度区间，得出钛合金支撑结构在热载荷温度区间内的轴向热膨胀变形量；
步骤二：建立复合材料支撑结构的初始模型：根据原始钛合金支撑结构在CATIA软件中建立对应的复合材料支撑结构的初始模型，复合材料支撑结构由多个部件组成，将复合材料支撑结构整体的三维模型生成CATPart文件；
步骤三：对复合材料支撑结构进行第一阶段优化：使用Hypermesh软件导入步骤二中生成的CATPart文件，并对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层设置、铺层形状优化、设置响应、优化约束与优化目标，最后输出第二阶段初始模型；
步骤四：对复合材料支撑结构进行第二阶段优化：使用Hypermesh软件导入步骤三中生成的第二阶段初始模型，对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层厚度优化，最后输出第三阶段初始模型；
步骤五：对复合材料支撑结构进行第三阶段优化，使用Hypermesh软件导入步骤四中生成的第三阶段初始模型，对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层顺序优化，最后输出优化完成的复合材料支撑结构模型；
步骤六：对复合材料支撑结构的初始模型进行对应修改设计：根据步骤五中输出的优化完成的复合材料支撑结构模型，在CATIA软件中对步骤二中复合材料支撑结构的初始模型进行对应修改；
步骤七：完成复合材料支撑结构的最终设计：重复步骤三到步骤六，直至修改后的复合材料支撑结构经过Abaqus软件仿真计算，在相同条件下轴向热膨胀变形量小于步骤一中得到的钛合金支撑结构热膨胀变形量的设定比例，完成复合材料支撑结构的最终设计，生成对应的最终CATPart设计文件。
相对于现有技术，本发明公开的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，具有以下优势：
发明公开的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，可以对使用复合材料的支撑结构进行设计，能够实现大幅度降低传统钛合金支撑结构的热膨胀量，具有操作便捷、设计效果好以及应用范围广的特点。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法步骤一原始钛合金支撑结构三维模型示意图；
图2为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法步骤一Abaqus软件仿真热膨胀变形量示意图；
图3为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法复合材料支撑结构主体部分示意图；
图4为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法复合材料支撑结构前端凸台示意图；
图5为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法复合材料支撑结构左侧挡板示意图；
图6为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法复合材料支撑结构右侧挡板示意图；
图7为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法步骤五中优化完成的复合材料支撑结构主体部分铺层形状示意图；
图8为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法步骤五中优化完成的复合材料支撑结构左侧挡板铺层形状示意图；
图9为本发明实施例所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法步骤七中复合材料支撑结构的最终设计示意图。
附图标记说明：
1-主体部分；2-左侧挡板；3-右侧挡板；4-前端凸台。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，包括如下步骤：
步骤一：如图1-2所示，建立原始钛合金支撑结构三维模型：在CATIA软件中建立原始钛合金支撑结构三维模型并生成CATPart文件，把CATPar文件导入到Abaqus软件中，设定钛合金材料属性、划分网格、边界条件以及热载荷温度区间，得出钛合金支撑结构在热载荷温度区间内的轴向热膨胀变形量；
在本实施例中，钛合金材料属性包括：密度、弹性模量、泊松比以及热膨胀系数；划分网格包括：采用自由三维应力方式划分四面体网格；热载荷温度区是30℃升温至80℃的温度载荷；
步骤二：建立复合材料支撑结构的初始模型：根据原始钛合金支撑结构在CATIA软件中建立对应的复合材料支撑结构的初始模型，复合材料支撑结构由多个部件组成，将复合材料支撑结构整体的三维模型生成CATPart文件；
在本实施例中，如图3-6所示，复材料支撑结构由主体部分1、左侧挡板2、右侧挡板3以及前端凸台4四个部件组成。
步骤三：对复合材料支撑结构进行第一阶段优化：使用Hypermesh软件导入步骤二中生成的CATPart文件，并对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层设置、铺层形状优化、设置响应、优化约束与优化目标，最后输出第二阶段初始模型；
步骤四：对复合材料支撑结构进行第二阶段优化：使用Hypermesh软件导入步骤三中生成的第二阶段初始模型，对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层厚度优化，最后输出第三阶段初始模型；
步骤五：对复合材料支撑结构进行第三阶段优化，使用Hypermesh软件导入步骤四中生成的第三阶段初始模型，对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层顺序优化，最后输出优化完成的复合材料支撑结构模型；
步骤六：如图7-8所示，对复合材料支撑结构的初始模型进行对应修改设计：根据步骤五中输出的优化完成的复合材料支撑结构模型，在CATIA软件中对步骤二中复合材料支撑结构的初始模型进行对应修改；
步骤七：如图9所示，完成复合材料支撑结构的最终设计：重复步骤三到步骤六，直至修改后的复合材料支撑结构经过Abaqus软件仿真计算，在相同条件下轴向热膨胀变形量小于步骤一中得到的钛合金支撑结构热膨胀变形量的设定比例，完成复合材料支撑结构的最终设计，生成对应的最终CATPart设计文件。
在步骤三中：
首先对复合材料支撑结构赋予材料属性、划分网格、设置边界条件以及温度载荷；
铺层设置包括：对复合材料支撑结构的各个组成部件分别建立相应层数超级层，并设置超级层初始厚度，对复合材料支撑结构的各个组成部件建立层合板，并定义中选择SMEAR选项；
在本实施例中，如图3-6所示，复合材料支撑结构的各个组成部件超级层均是三层，分别是0°、30°、-30°，主体部分1的超级层初始厚度设为1.5mm，左侧挡板2以及右侧挡板3超级层初始厚度均设为1mm，前端凸台4超级层初始厚度设为1.3mm。
铺层形状优化包括：根据实际需要分别对复合材料支撑结构的各个组成部件进行最小厚度约束以及最大厚度约束；根据实际需要分别对复合材料支撑结构的各个组成部件进行单方向铺层厚度百分比限制、铺层制造厚度限制以及两方向铺层平衡限制；
在本实施例中：
在本实施例中：
设置响应、优化约束与优化目标包括：把复合材料支撑结构整体质量和复合材料支撑结构各节点的轴向位移设定为两个响应；以复合材料支撑结构整体结构质量不超过对应原始钛合金支撑结构质量为优化约束；以复合材料支撑结构整体各节点的轴向位移在温度载荷下的最小化为优化目标。
在步骤四中：铺层厚度优化包括：在步骤三中第一阶段优化后复合材料支撑结构自动创建的多个设计变量，将设计变量的上限统一修改为指定数值，并把SMEAR选项属性改为Symmetric，使得最终优化的结构铺层满足对称铺层的要求。
在本实施例中，设计变量数量为36个，计变量的上限统一修改为指定数值是2。
在步骤五中：铺层顺序优化包括：根据实际需要设置最大连续同角度铺层层数的约束。
在本实施例中，最大连续同角度铺层层数是四层。
在步骤七中，在相同条件下轴向热膨胀变形量小于步骤一中得到的钛合金支撑结构热膨胀变形量的设定比例是10％。
在本实施例中，使用本方法设计的复合材料支撑结构，与原始的钛合金支撑结构相比，能够大幅度的降低热膨胀变形量以及支撑结构的重量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：建立原始钛合金支撑结构三维模型：在CATIA软件中建立原始钛合金支撑结构三维模型并生成CATPart文件，把CATPar文件导入到Abaqus软件中，设定钛合金材料属性、划分网格、边界条件以及热载荷温度区间，得出钛合金支撑结构在热载荷温度区间内的轴向热膨胀变形量；
步骤二：建立复合材料支撑结构的初始模型：根据原始钛合金支撑结构在CATIA软件中建立对应的复合材料支撑结构的初始模型，复合材料支撑结构由多个部件组成，将复合材料支撑结构整体的三维模型生成CATPart文件；
步骤三：对复合材料支撑结构进行第一阶段优化：使用Hypermesh软件导入步骤二中生成的CATPart文件，并对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层设置、铺层形状优化、设置响应、优化约束与优化目标，最后输出第二阶段初始模型；
步骤四：对复合材料支撑结构进行第二阶段优化：使用Hypermesh软件导入步骤三中生成的第二阶段初始模型，对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层厚度优化，最后输出第三阶段初始模型；
步骤五：对复合材料支撑结构进行第三阶段优化，使用Hypermesh软件导入步骤四中生成的第三阶段初始模型，对复合材料支撑结构的各个组成部件分别进行铺层顺序优化，最后输出优化完成的复合材料支撑结构模型；
步骤六：对复合材料支撑结构的初始模型进行对应修改设计：根据步骤五中输出的优化完成的复合材料支撑结构模型，在CATIA软件中对步骤二中复合材料支撑结构的初始模型进行对应修改；
步骤七：完成复合材料支撑结构的最终设计：重复步骤三到步骤六，直至修改后的复合材料支撑结构经过Abaqus软件仿真计算，在相同条件下轴向热膨胀变形量小于步骤一中得到的钛合金支撑结构热膨胀变形量的设定比例，完成复合材料支撑结构的最终设计，生成对应的最终CATPart设计文件。
2.根据权利要求1所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，其特征在于：在步骤三中：
首先对复合材料支撑结构赋予材料属性、划分网格、设置边界条件以及温度载荷；
铺层设置包括：对复合材料支撑结构的各个组成部件分别建立相应层数超级层，并设置超级层初始厚度，对复合材料支撑结构的各个组成部件建立层合板，并定义中选择SMEAR选项；
铺层形状优化包括：根据实际需要分别对复合材料支撑结构的各个组成部件进行最小厚度约束以及最大厚度约束；根据实际需要分别对复合材料支撑结构的各个组成部件进行单方向铺层厚度百分比限制、铺层制造厚度限制以及两方向铺层平衡限制；
设置响应、优化约束与优化目标包括：把复合材料支撑结构整体质量和复合材料支撑结构各节点的轴向位移设定为两个响应；以复合材料支撑结构整体结构质量不超过对应原始钛合金支撑结构质量为优化约束；以复合材料支撑结构整体各节点的轴向位移在温度载荷下的最小化为优化目标。
3.根据权利要求2所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，其特征在于：在步骤四中：铺层厚度优化包括：在步骤三中第一阶段优化后复合材料支撑结构自动创建的多个设计变量，将设计变量的上限统一修改为指定数值，并把SMEAR选项属性改为Symmetric，使得最终优化的结构铺层满足对称铺层的要求。
4.根据权利要求2所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，其特征在于：在步骤五中：铺层顺序优化包括：根据实际需要设置最大连续同角度铺层层数的约束。
5.根据权利要求1所述的一种超低热膨胀复合材料支撑结构的设计方法，其特征在于：在步骤七中，在相同条件下轴向热膨胀变形量小于步骤一中得到的钛合金支撑结构热膨胀变形量的设定比例是10％。
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