CN115391947A - 轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法及系统 - Google Patents

轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法及系统 Download PDF

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CN115391947A CN202211032376.1A CN202211032376A CN115391947A CN 115391947 A CN115391947 A CN 115391947A CN 202211032376 A CN202211032376 A CN 202211032376A CN 115391947 A CN115391947 A CN 115391947A
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赵英男
陈晨
岳书静
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CRRC Forming Technology Qingdao Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法及系统，属于轨道交通技术领域。所述虚拟方法，包括：根据轨道交通结构特点及复合材料的物理和力学等特性做出的基本规定、虚拟模型建立规则方法、材料参数表征获取方法和试验矩阵、载荷边界施加方法、虚拟模型检查方法、强度分析流程、结果输出及结果评估。本发明实现了轨道交通复合材料结构的虚拟分析验证和输出评估，解决了大型复合材料轨道交通装备结果仿真精度低的问题，验证评估精度达到了工程要求，有效增加了全尺寸强度试验一次性通过概率，降低了研发试验成本。

Description

轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法及系统
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，特别涉及一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法及系统
背景技术
碳纤维复合材料高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、可设计性强等优异性能，是解决轨道交通高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷矛盾问题、实现车辆轻量化的绝佳选择，一方面，轻量化减轻了车体自重，节约原材料、降低制造成本；另一方面，轻量化减少了车辆的牵引力和制动力、实现了节能降耗，并降低车辆振动能量、降低车内外噪音、减少轮轨磨耗、减少维修量等，从而节约运营成本，有效降低运营能耗和全寿命周期成本；此外，还能有效解决传统金属材料易腐蚀、疲劳断裂、局部屈曲、焊接变形等应用难点。
但是，发明人发现，由于复合材料异质性和各向异性不同于传统金属结构，并且复合材料结构因材料、工艺、尺寸及失效模式及其复杂，其材料力学和物理参数、材料表征、建模程序、分析验证流程、虚拟验证精度及结果输出评价、皆不同于金属结构，因此对目前轨道交通复合材料结构设计分析及验证更多的依赖经验及物理试验，且仍然沿用金属结构的强度分析方法，其分析可靠性和准确度都无法达到工程要求，严重影响了轨道交通复合材料设计优化研发和验证周期。
专利号CN107766640A公开了一种考虑微观组织颗粒增强复合材料有限元建模方法，其针对的是颗粒增强复合材料的有限元建模方法，并没有涉及连续纤维增强复合材料，其是针对微观组织的建模方法，不能够对工程装备的连续纤维复合材料结构的强度分析和验证进行指导。
专利号CN111382477B公开了一种基于结构基因组技术的复合材料壁板分析方法，通过基体和纤维的力学性能来推演复合材料宏观结构的力学性能，其并不涉及轨道交通复合材料结构的工程化强度验证分析方法、评估方法及材料参数的获取等关键技术。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法及系统，解决了大型复合材料轨道交通装备结果仿真精度低的问题，验证评估精度达到了工程要求，有效增加了全尺寸强度试验一次性通过概率，降低了研发试验成本。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，包括以下过程：
配置轨道交通装备复合材料结构虚拟分析的要求，包括：配置基础要求、单位制和坐标系；
根据轨道交通车辆复合材料结构参数建立虚拟分析模型，包括：构建几何拓扑模型，选择单元类型和单元阶次，配置网格疏密，进行网格划分，配置属性，配置失效准则，施加载荷边界条件；
根据虚拟分析模型，进行轨道交通复合材料结构的虚拟测试并生成虚拟测试结果。
作为可选的一种实现方式，配置基础要求，包括：
薄板或薄壳复合材料结构，选取壳单元；厚板结构或需要分析层间应力的结构，采用实体单元，且沿厚度方向单元数量满足设定阈值；
在关注部位有限元分析精度大于或等于设定值的前提下，简化结构的几何模型细节特征；
根据机械产品几何模型、属性、载荷及约束特点以及有限元分析的类型和目的，选择单元的类型；
粗化应力缓慢变化区域，细化应力急剧变化区域；粗化不关注区域，细化关注区域；
根据分析类型和试验结果采用积木式方法进行分析模型和计算结果评估；
当连续纤维方向变化大于设定度数时，进行铺覆模拟修正铺层角度。
作为可选的一种实现方式，配置坐标系，包括：
坐标系由右手定则确定，采用笛卡尔坐标系、柱坐标系或球坐标系，有限元分析建模时应定义全局坐标系，当模型建模、载荷、约束或结果显示需求与全局坐标系不一致时，增加局部坐标系；
配置几何模型所参照的总体坐标系，以使得数模导入到分析软件之后零件的位置和方向与制图软件中一致；
配置局部坐标系表征一个层压板的铺层方位，局部坐标系的x轴指向层压板0°铺层的纤维走向，z轴与铺层的铺贴堆栈方向一致，y轴按照右手定则确定；
配置材料坐标系，每个单层中的材料坐标系x轴与该层纤维走向一致，z轴与层压板堆栈方向一致，y轴由右手定则确定；通过堆栈方向、铺层角度合铺层参考坐标系确定材料坐标系。
作为可选的一种实现方式，构建几何拓扑模型，包括：
按1：1的比例关系建立几何模型，其中，长细比大于8的结构，选取中间轴线构建；典型结构尺寸与壁厚比值大于10的结构，选取中面构建；不适合采用线、面构建的结构以及结构的关键部位，采用实体构建。
作为可选的一种实现方式，选择单元类型和单元阶次，包括：
对主要承受面内载荷，长厚比大于设定值的层压板结构且不需要分析层间应力时，选择二维单元；
当层压板结构所受法向力不可忽略、横向剪切效应大于设定值或关注层间应力或者关注局部区域的应力时，采用三维单元来满足求解精度；
对于需要关注胶层结构应选择内聚力单元或者采用粘性接触技术；
对于夹层结构，选择三维单元；如果面外应力忽略不计，使用二维单元；
复合材料的紧固件连接采用一维单元进行模拟，如果连接是至关重要的采用三维单元；
当结构形状不规则、变形和应力分布复杂时选用高阶单元，计算精度大于设定值的区域宜选用高阶单元；
精度要求小于设定值的选用低阶单元，不同阶次单元的连接位置应使用过渡单元或多点约束。
作为可选的一种实现方式，配置网格疏密，至少包括：
进行网格疏密控制的设置，对结构变化大于设定值、曲面曲率变化大于设定值、载荷变化大于设定值和不同材料连接的部位进行细化；
粗细网格过渡采用三角形单元过渡或MPC方式过渡，应力响应关注区域的网格密度大于位移响应关注区域的网格密度，主承力方向的单元尺寸小于设定值，垂直于该方向的单元在满足质量要求时将尺寸稍作放大。
作为可选的一种实现方式，进行网格划分，包括：
网格划分时保留主要的几何轮廓线，网格与几何轮廓保持一致或者差异在设定范围内，对于实体单元网格，在结构厚度方向上确保三层以上，或者在满足求解精度情况下减少层数；
对称结构应确保铺层属性与实际结构一致，当层压板存在丢层时应按丢层线划分网格，以使得每个部件的单元法向一致。
作为可选的一种实现方式，配置属性，包括：复合材料结构属性包括单层材料属性、单层铺层厚度、单层铺层角度、铺贴方向和铺层顺序；
进一步的，配置单层级材料许用值试验矩阵、夹层结构试验矩阵、胶层材料参数试验矩阵、机械连接挤压强度试验矩阵、单层铺层弹性材料参数和网格质量检查标准。
进一步的，单层材料属性使用各向异性线弹性材料模拟复合材料层合板的材料属性，材料属性采用单层级的材料许用值，包括：
0°或经向和90°或纬向拉伸弹性模量和强度；0°或经向和90°或纬向压缩弹性模量和强度；主泊松比；纵横剪切弹性模量和强度；
0°或经向与90°或纬向拉伸、压缩强度、纵横剪切强度取B基准值，弹性模量取拉伸与压缩弹性性能的平均值，主泊松比取平均值。
更进一步的，单层级材料许用值的确定，包括：
确定不同环境条件组合下强度的B基准值和A基准值；
对拉伸和压缩强度的材料许用值，采用经统计处理后的强度B基准值，在方案设计、初步设计阶段，若试验子样小于设定值，数据分散大于设定值，则材料许用值的数值取平均值的85％和B基准值中的大于设定值的值；
对纵横剪切强度的材料许用值，釆用经统计处理后的强度或1.5倍屈服强度B基准值中的小于设定值的值；
取极限剪切强度B基准值作为材料许用值；当纵横剪切强度为关键性能时，应取1.5倍屈服强度B基准值作为材料许用值；
对模量的材料许用值，采用每种环境条件下所有试验数据的平均值。
作为可选的一种实现方式，定义铺层参考坐标系，以铺层参考坐标系为每一单层定义铺层角度，定义的名义铺层角度与实际铺层角度偏差不超过设定角度；
定义铺贴堆栈方向与顺序，层合板的铺贴堆栈方向通过单元法向定义，同一层压板区域单元法向应一致并与实际铺贴堆栈方向相同，定义铺层顺序与实际层压板保持一致；
定义铺层偏移，壳网格位于层压板截面中面，保证铺层属性效果与设计一致。
作为可选的一种实现方式，配置失效准则，包括：
复合材料结构强度的校核包括基于复合材料单层强度失效理论的强度校核，复合材料单层强度失效理论所采用的强度值采用材料许用值；
根据需求设置失效准则、应力应变的输出，至少包括危险层的应力应变及层压板整体应力应变值。
作为可选的一种实现方式，施加边界条件，包括：按照实际安装条件施加虚拟模型约束，约束区域应能准确反映实际约束情况，按标准或实际试验载荷选择载荷类型，载荷大小、方向和作用区域符合实际载荷情况；
质量载荷应以集中载荷方式施加，非承载结构质量以均布方式加载，并使车体结构的整备质量及重心位置与设计一致。
作为可选的一种实现方式，施加载荷边界条件后对虚拟模型检查，对网格单元进行检查，以使得满足设定值或者设定范围要求。
作为可选的一种实现方式，根据虚拟分析模型，进行轨道交通复合材料结构的虚拟测试，包括：
确定材料许用值，采用材料许用值进行初始的承载能力分析；
根据初始阶段结构的承载能力分析，选择关键区域进行后续测试验证；
确定每个设计特征的最关键的强度失效模式；
选择能产生强度关键性失效模式的测试环境；
测试多个元件级别试验样品，每个样品模拟一个选定的失效模式和加载条件，与分析预测进行比较，；
增加测试复杂度，以评估更复杂的加载情况以及几种潜在破损模式的失效可能性。将测试结果与分析预测进行比较，并根据需要调整分析模型或设计值；
确定并根据需要进行全尺寸部件静态测试，以验证内部载荷和结构完整性，并与分析相比较；
进行整车级别的静力学有限元分析，使用确定的设计值进行结构极限强度校核，并进行破坏系数和安全裕度的强度评估。
作为可选的一种实现方式，生成虚拟测试结果，包括：
输出结果包含关注部位的应力、应变和变形等值线图的全部或部分内容；
层压板单层结果输出应进行全局铺层的辨识，使得可以以每层为单位追踪结果；
根据层压板失效模式输出相应的应力应变值，至少包括危险层的应力应变及层压板整体应力应变值；
层压板结构所受法向力不可忽略、横向剪切效应大于设定值或关注其层间应力或者关注局部区域的应力时，生成层间应力值。
进一步的，进行结果的评估，在进行复合材料结构静强度验证时，保证在限制载荷作用下结构不产生有害的变形和损伤；在极限载荷和最严重环境组合条件下，结构不发生总体破坏；
对于极限载荷的强度评估，采用首层失效准则和限制应变方法，复合材料结构的失效包括层压板和夹层结构的失效、机械连接失效、胶粘失效；层压板的失效准则分为基于单层强度的失效准则和基于层合板限制应变失效；
评估包括对有限元模型和失效准则验证评估以及静强度评估验证，其中：
有限元模型和失效准则验证评估是对模型计算结果的收敛性进行检查，分析应力集中位置的合理性，按照积木式分析流程验证有限元模型和失效准则，对比有限元分析结果和试验结果，以试验结果为依据调整有限元分析模型重新计算和评估；
静强度评估验证为：采用经过验证的有限元模型和失效准则进行整车级有限元静强度评估验证，静强度结果满足相应失效准则和设计值时，则结构静强度满足强度要求，依据有限元分析结果进行静强度试验。
本发明第二方面提供了一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析系统。
一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析系统，包括：
要求配置模块，被配置为：配置轨道交通装备复合材料结构虚拟分析的要求，包括：配置基础要求、单位制和坐标系；
模型构建模块，被配置为：根据轨道交通车辆复合材料结构参数建立虚拟分析模型，包括：构建几何拓扑模型，选择单元类型和单元阶次，配置网格疏密，进行网格划分，配置属性，配置失效准则，施加载荷边界条件；
虚拟分析模块，被配置为：根据虚拟分析模型，进行轨道交通复合材料结构的虚拟测试并生成虚拟测试结果。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法中的步骤。
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法中的步骤。
上述本发明的有益效果如下：
1、现有的轨道交通结构强度虚拟分析方法是针对金属结构的，并不适合各向异性和多层复合材料结构，本发明充分依据轨道交通和复合材料特点确立了一种虚拟分析验证方法，可以对复合材料装备设计优化和验证进行工程化指导，解决了大型复合材料轨道交通装备结果仿真精度低的问题，验证评估精度达到了工程要求，有效缩短了工程周期和制造试验成本，实现了可靠性运营，降低了轨道交通装备全尺寸静强度试验失败的概率，降低了研发成本。
2、本发明所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，建立了轨道交通装备复合材料结构强度虚拟分析的基本要求，建立了轨道交通装备复合材料结构强度虚拟分析模型，实现了轨道交通装备复合材料结构强度虚拟分析，实现了轨道交通装备复合材料结构强度结果输出与评估，能够更全面的进行轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析分析。
3、本发明所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，涉及几何拓扑模型构建、单元类型、单元阶次选择方法、网格疏密控制技术、网格划分方法、属性设置技术、失效准则定义方法、边界条件施加和虚拟模型检查方法，分析仿真精度更高。
4、本发明所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，设置了所需材料的物理力学性能参数的试验矩阵，通过试验矩阵在降低试验成本的情况下，保证了结构强度虚拟分析的精度，为虚拟分析验证评估提供了良好的基础。
5、本发明所述的轨道交通装备复合材料结构强度虚拟分析方法，解决了由于复合材料材料各向异性特点及制造工艺不确定性、载荷不确定性、尺寸因素不确定性、环境影响因素不确定性及失效模拟不确性等造成的虚拟验证精度差无法满足工程分析及验证的问题。
6、本发明确定了复合材料结构强度结果输出的基本要求，在保证指导验证轨道交通装备复合材料结构强度的同时，解决了复合材料结构强度输出结果特别巨大及分析困难的问题。
7、本发明确定了复合材料结构强度模型及失效准则的评估方法，解决了复合材料结构建模复杂不确定性和失效准则适用性问题，确定了轨道交通复合材料结构静强度的虚拟验证方法，解决了轨道交通复合材料结构强度虚拟验证精度不够的问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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。
图1为本发明实施例1提供的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法的整体流程示意图。
图2为本发明实施例1提供的几何拓扑模型构建方法的流程示意图。
图3为本发明实施例1提供的具体测试方法的流程示意图。
图4为本发明实施例1提供的进行网格疏密控制的设置示意图。
图5为本发明实施例1提供的轨道交通连续纤维复合材料结构示意图。
图6为本发明实施例1提供的轨道交通装备复合材料结构强度结果输出结果示意图一。
图7为本发明实施例1提供的轨道交通装备复合材料结构强度结果输出结果示意图二。
图8为本发明实施例1提供的失效模式示例示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
正如背景技术所介绍的，现有的轨道交通结构强度虚拟分析方法是针对金属结构的，并不适合各向异性和多层复合材料结构，本发明实施例1提供了一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，包括根据轨道交通结构特点及复合材料的物理和力学等特性做出的基本规定、虚拟模型建立规则方法、材料参数表征获取方法和试验矩阵、载荷边界施加方法、虚拟模型检查方法、强度分析流程、结果输出及结果评估，通过上述规则方法流程实现了轨道交通复合材料结构的虚拟分析验证和输出评估，验证评估精度达到工程要求。
具体的，包括以下过程：
步骤101：建立轨道交通装备复合材料结构虚拟分析的基本要求，包括建立基础要求、确定单位制和建立坐标系。
步骤101中的基础要求，其中较佳的实施方法，包括：
步骤101-1：对于薄板或薄壳复合材料结构，可选取壳单元，提高计算效率；倘若研究对象为厚板，或需要分析层间应力，则采用实体单元，沿厚度方向必须有足够的单元来捕捉应力变化梯度。
步骤101-2：确保关注部位有限元分析精度的前提下尽可能的简化结构的棱角、小凸台、小凹槽等几何模型细节特征。
步骤101-3：根据机械产品几何模型、属性、载荷及约束特点以及有限元分析的类型和目的，合理选择单元的类型，以保证计算精度。
步骤101-4：粗化应力缓慢变化区域，细化应力急剧变化区域；粗化不关注区域(仅为力传递而建入模型的区域)、细化关注区域。
步骤101-5：根据分析类型和试验结果采用“积木式”方法进行分析模型和计算结果评估。
步骤101-6：考虑由于制造工艺及几何表面曲率的变化，引起的各个位置纤维方向和厚度差异，当连续纤维方向变化大于4°时，进行铺覆模拟修正铺层角度。
步骤101-1至步骤101-6并没有特定的逻辑顺序，只代表在步骤101中需要包括的要求项点；
步骤101中确定单位制，其中一种可行的单位制如表1所示：
表1：轨道车辆复合材料虚拟分析单位制
Figure BDA0003817972370000101
步骤101中建立坐标系，包括：
步骤101-7：坐标系由右手定则来确定，选用笛卡尔坐标系，必要时可选用柱坐标系或球坐标系；有限元分析建模时应定义全局坐标系，当模型建模、载荷、约束或结果显示需求与全局坐标系不一致时，可增加局部坐标系。
步骤101-8：建立几何模型所参照的总体坐标系，以使得数模导入到CAE分析软件(优选的选择CAE，其他实施方式中可以选择其他分析软件)之后零件的位置和方向与CAD(优选的选择CAD，其他实施方式中可以选择其他绘图软件)中一致。
步骤101-9：建立的局部坐标系来表征一个层压板的铺层方位，局部坐标系的x轴指向层压板0°铺层的纤维走向，z轴与铺层的铺贴堆栈方向一致，y轴按照右手定则确定。
步骤101-10：建立材料坐标系，每个单层中的材料坐标系x轴与该层纤维走向一致，z轴与层压板堆栈方向一致，y轴由右手定则确定；通过堆栈方向、铺层角度、铺层参考坐标系确定材料坐标系。
步骤102：建立轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析模型，其具体一种流程示例如附图2所示。
步骤1021：构建几何拓扑模型，在满足要求的情况下，尽量使模型简化。按1：1的比例关系建立几何模型；
其中长细比大于8的结构，宜选取中间轴线构建；典型结构尺寸与壁厚比值大于10的结构，选取中面构建，关注层间应力时除外；不适合采用线、面构建的结构以及结构的关键部位，应采用实体构建。
步骤1022：根据不同部件的结构形式选择机械产品单元类型，对于主要承受面内载荷，长厚比很大的层压板结构且不需要分析层间应力时，通常应选择二维单元；
当层压板结构所受法向力不可忽略、横向剪切效应较大或关注其层间应力及研究其局部区域的应力等情况时，应采用三维单元来满足求解精度；
对于需要关注的二次胶接、共胶接等胶层结构应选择内聚力单元或者采用“粘性”接触技术；
对于夹层结构，通常需要考虑结构的横向剪切变形的影响，应选择三维单元；
如果面外应力可以忽略不计，则可以使用二维单元；通常复合材料的紧固件连接可以采用一维单元(如梁单元)进行模拟，为了提高求解精度应使用考虑连接件刚度等影响的一维单元(如弹簧单元)，如果连接是至关重要的则应采用三维单元；
当结构形状不规则、变形和应力分布复杂时宜选用高阶单元。计算精度要求高的区域宜选用高阶单元；
精度要求低的可选用低阶单元，通常能够满足求解精度情况时可选用低阶单元，不同阶次单元的连接位置应使用过渡单元或多点约束等。
步骤1023：进行网格疏密控制的设置，对结构变化大、曲面曲率变化大、载荷变化大和不同材料连接的部位进行细化；
单元尺寸过渡平滑，粗细网格之间应有足够的单元进行过渡，避免相邻单元的质量和刚度差别太大，粗细网格过渡应采用三角形单元过渡或MPC方式过渡，避免采用发生单元过渡扭曲的铺路式过渡，如附图4所示；
应力响应关注区域的网格密度应大于位移响应关注区域的网格密度；
主承力方向的单元尺寸应较小，垂直于该方向的单元在满足质量要求时可以将尺寸稍作放大；
通常车体的均值网格尺寸在25mm左右，窗角、门角等应力集中区域网格尺寸在10mm左右，转向架网格尺寸在10mm左右。
步骤1024：进行网格划分，网格划分时保留主要的几何轮廓线，网格应与几何轮廓保持基本一致；
对于实体单元网格，在结构厚度方向上应确保三层以上，满足求解精度情况下可以适当减少，对称结构应谨慎采用对称网格，确保铺层属性与实际结构一致。当层压板存在丢层时应按丢层线划分网格，以使得每个部件的单元法向一致。
步骤1025：进行属性设置，属性设置时材料属性单位与几何模型单位一致，属性输入信息应准确完整；
能准确表达结构的刚度、质量特性。复合材料结构属性包括单层材料属性、单层铺层厚度、单层铺层角度、铺贴方向、铺层顺序。
其中单层材料属性使用各向异性线弹性材料模拟复合材料层合板的材料属性，材料属性采用单层级的材料许用值，包括a)0°(或经向)和90°或纬向)拉伸弹性模量和强度；b)0°(或经向)和90°(或纬向)压缩弹性模量和强度；c)主泊松比；d)纵横(面内)剪切弹性模量和强度。上述性能中0°(或经向)与90°或纬向)拉伸、压缩强度、纵横剪切强度通常取B基准值，弹性模量取拉伸与压缩弹性性能的平均值，主泊松比取平均值。
根据虚拟分析所要求的精度及经济可行性合理设置试验矩阵，试验矩阵见表2，表2中的试验标准和试验数量是虚拟分析所需材料参数的一种试验矩阵示例。
表2：单层级材料许用值试验矩阵
Figure BDA0003817972370000121
单层级材料许用值按以下原则确定：
a)确定不同环境条件组合(温度与吸湿量)下强度的B基准值和A基准值。
b)对拉伸和压缩强度的材料许用值，工程上通常采用经统计处理后的强度B基准值；在方案设计、初步设计(含详细初步设计)阶段，若试验子样较小，数据分散性大，则材料许用值的数值取平均值的85％和B基准值中的较大值。
c)对纵横(面内)剪切强度的材料许用值，工程上通常釆用经统计处理后的强度或1.5倍屈服强度B基准值中的较小值；一般情况下，取极限剪切强度(即最大剪切强度与5％剪切应变对应的剪切应力中的较小值)B基准值作为材料许用值；当纵横(面内)剪切强度为关键性能时，应取1.5倍屈服强度B基准值作为材料许用值。
d)对模量的材料许用值，工程上通常采用每种环境条件下所有试验数据的平均值。
夹层结构芯材材料许用值所需材料参数按照表3试验矩阵确定，该矩阵代表一种示例情况；
表3：夹层结构试验矩阵
Figure BDA0003817972370000141
确定胶层材料许用值所需材料参数按照表4试验矩阵，该矩阵代表一种示例情况；
表4：胶层材料参数试验矩阵
Figure BDA0003817972370000151
确定机械连接所需参数挤压强度试验矩阵，该矩阵代表一种示例情况，如表5所示。
表5：机械连接挤压强度试验矩阵
Figure BDA0003817972370000152
通过以上试验矩阵可获得单层铺层弹性性能参数如表6所示。
表6：单层铺层弹性材料参数
Figure BDA0003817972370000153
定义铺层参考坐标系，以铺层参考坐标系为每一单层定义铺层角度，定义的名义铺层角度与实际铺层角度偏差不应超过4°。
定义铺贴堆栈方向与顺序，层合板的铺贴堆栈方向通过单元法向定义，同一层压板区域单元法向应一致并与实际铺贴堆栈方向相同，定义铺层顺序与实际层压板保持一致。
定义铺层偏移，默认情况下，认为壳网格位于层压板截面中面，应保证铺层属性效果与设计一致。
步骤1026：定义失效准则，复合材料结构强度的校核通常包括基于复合材料单层强度失效理论的强度校核，复合材料单层强度失效理论所采用的强度值应采用步骤1025试验矩阵确定的材料许用值；应根据需求设置失效准则、应力应变的输出，至少包括：危险层的应力应变及层压板整体应力应变值。
步骤1027：施加边界条件，按照实际安装条件施加虚拟模型约束，约束区域应能准确反映实际约束情况；应避免单点约束，以防止应力集中；按标准或实际试验载荷选择载荷类型；载荷大小、方向和作用区域应符合实际载荷情况；吊装、车上空调及车内设备等对结构强度影响较大的质量载荷应以集中载荷方式施加；内装等非承载结构质量以均布方式加载，并应使车体结构的整备质量及重心位置与设计一致。
步骤1028进行虚拟模型检查，对网格单元进行检查，具体检查内容及要求如下：
a)模型中不应存在畸变网格.网格检查的主要参数包括单元方向、长宽比、翘曲度、偏斜度、内角等方面；网格划分时，上述参数推荐的量化数值要求参见表7。
b)保证结构重点关注区域的单元高质量，非重点关注区域的单元质量可适当降低。
c)网格尺寸的大小应保证结果是收敛的。
表7：网格质量检查标准
Figure BDA0003817972370000161
进行质量特性检查，对影响计算准确性的模型质量分布、总质量、质心分布等因素进行检查，检查配重后模型各部分质量分布、质心是否与实际状态一致。
进行工程特性检查，对有限元模型进行工程特性检查。
具体检查内容及要求如下：
a)属性参数检查。依据机械产品结构设计时的材料特性，对属性参数进行复核，检查属性参数包括单层力学性能、铺层名称、铺层角度、铺层厚度、铺贴方向及铺层参考面是否与设计一致.
b)单元类型检查；依据机械产品几何特点、分析需求和装配方式，对单元类型进行检查，检查单元类型的选择是否与结构形式和连接方式一致。
c)单元法向检查；根据实际复合材料结构的铺贴方向检查单元法向的一致性。
d)约束检查；依据标准或试验工装安装接口，对约束进行检查，检查约束是否与标准或安装条件一致。
e)载荷检查；依据产品结构工作载荷条件，对载荷进行检查，检查载荷类型、载荷作用对象等是否与工作载荷条件一致。
通过以上步骤确定的轨道交通连续纤维复合材料结构如附图5所示，附图5是一种示例。
步骤103：进行轨道交通复合材料结构虚拟分析，具体步骤如下：
步骤1031：确定材料许用值，采用材料许用值进行初始的承载能力分析；
步骤1032：根据初始阶段结构的承载能力分析，选择关键区域进行后续测试验证；
步骤1033：确定每个设计特征的最关键的强度失效模式，失效模式的一种示例如附图8所示。
步骤1034：选择能产生强度关键性失效模式的测试环境。应特别注意对基体敏感的失效模式(如压缩、平面外剪切和胶粘)以及由平面外载荷或刚度突变引起的潜在风险区域。
步骤1035：测试多个元件级别试验样品，每个样品模拟一个选定的失效模式和加载条件，与分析预测进行比较，必要时调整分析模型或设计值。
步骤1036：增加测试复杂度，以评估更复杂的加载情况以及几种潜在破损模式的失效可能性；将测试结果与分析预测进行比较，并根据需要调整分析模型或设计值。
步骤1037：确定(包括补偿系数)并根据需要进行全尺寸部件静态测试，以验证内部载荷和结构完整性，并与分析相比较。
步骤1038：进行整车级别的静力学有限元分析，应使用确定的设计值进行结构极限强度校核，并进行破坏系数和安全裕度等的强度评估。
步骤104进行轨道交通装备复合材料结构强度结果输出与评估。输出结果的一种示例附图6和附图7所示。
进行强度结果的输出，提取和输出至少应包含以下信息：
a)输出结果应包含关注部位的应力、应变和变形等值线图的全部或部分内容；
b)层压板单层结果输出应进行全局铺层的辨识，使得可以以每层为单位追踪结果；
c)应该根据层压板失效模式输出相应的应力应变值，至少包括危险层的应力应变及层压板整体应力应变值；
d)层压板结构所受法向力不可忽略、横向剪切效应较大或关注其层间应力及研究其局部区域的应力等情况时，应输出层间应力值。
进行结果的评估，在进行复合材料结构静强度验证时，应保证在限制载荷作用下结构不产生有害的变形和损伤；在极限载荷和相应的最严重环境组合条件下，结构不发生总体破坏，对于极限载荷的强度评估，采用偏保守的首层失效准则和限制应变方法。
复合材料结构的失效主要包括层压板和夹层结构的失效、机械连接失效、胶粘失效；层压板的失效准则分为基于单层强度的失效准则和基于层合板限制应变失效。
评估包括对有限元模型和失效准则验证评估以及静强度评估验证，其中有限元模型和失效准则验证评估是对模型计算结果的收敛性进行检查，分析应力集中位置的合理性，按照步骤103积木式分析流程验证有限元模型和失效准则，对比有限元分析结果和试验结果，以试验结果为依据调整有限元分析模型重新计算和评估。
静强度评估验证为：采用经过验证的有限元模型和失效准则进行整车级有限元静强度评估验证，静强度结果满足相应失效准则和设计值时，则结构静强度满足强度要求，可依据有限元分析结果进行静强度试验，增加全尺寸试验一次性通过的可靠性。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析系统，包括：
要求配置模块，被配置为：配置轨道交通装备复合材料结构虚拟分析的要求，包括：配置基础要求、单位制和坐标系；
模型构建模块，被配置为：根据轨道交通车辆复合材料结构参数建立虚拟分析模型，包括：构建几何拓扑模型，选择单元类型和单元阶次，配置网格疏密，进行网格划分，配置属性，配置失效准则，施加载荷边界条件；
虚拟分析模块，被配置为：根据虚拟分析模型，进行轨道交通复合材料结构的虚拟测试并生成虚拟测试结果。
所述系统的具体工作方法与实施例1提供的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如实施例1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法中的步骤。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (20)

1.一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：
包括以下过程：
配置轨道交通装备复合材料结构虚拟分析的要求，包括：配置基础要求、单位制和坐标系；
根据轨道交通车辆复合材料结构参数建立虚拟分析模型，包括：构建几何拓扑模型，选择单元类型和单元阶次，配置网格疏密，进行网格划分，配置属性，配置失效准则，施加载荷边界条件；
根据虚拟分析模型，进行轨道交通复合材料结构的虚拟测试并生成虚拟测试结果。
2.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：配置基础要求，包括：
薄板或薄壳复合材料结构，选取壳单元；厚板结构或需要分析层间应力的结构，采用实体单元，且沿厚度方向单元数量满足设定阈值；
在关注部位有限元分析精度大于或等于设定值的前提下，简化结构的几何模型细节特征；
根据机械产品几何模型、属性、载荷及约束特点以及有限元分析的类型和目的，选择单元的类型；
粗化应力缓慢变化区域，细化应力急剧变化区域；粗化不关注区域，细化关注区域；
根据分析类型和试验结果采用积木式方法进行分析模型和计算结果评估；
当连续纤维方向变化大于设定度数时，进行铺覆模拟修正铺层角度。
3.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：配置坐标系，包括：
坐标系由右手定则确定，采用笛卡尔坐标系、柱坐标系或球坐标系，有限元分析建模时应定义全局坐标系，当模型建模、载荷、约束或结果显示需求与全局坐标系不一致时，增加局部坐标系；
配置几何模型所参照的总体坐标系，以使得数模导入到分析软件之后零件的位置和方向与制图软件中一致；
配置局部坐标系表征一个层压板的铺层方位，局部坐标系的x轴指向层压板0°铺层的纤维走向，z轴与铺层的铺贴堆栈方向一致，y轴按照右手定则确定；
配置材料坐标系，每个单层中的材料坐标系x轴与该层纤维走向一致，z轴与层压板堆栈方向一致，y轴由右手定则确定；通过堆栈方向、铺层角度合铺层参考坐标系确定材料坐标系。
4.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：构建几何拓扑模型，包括：
按1：1的比例关系建立几何模型，其中，长细比大于8的结构，选取中间轴线构建；典型结构尺寸与壁厚比值大于10的结构，选取中面构建；不适合采用线、面构建的结构以及结构的关键部位，采用实体构建。
5.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：选择单元类型和单元阶次，包括：
对主要承受面内载荷，长厚比大于设定值的层压板结构且不需要分析层间应力时，选择二维单元；
当层压板结构所受法向力不可忽略、横向剪切效应大于设定值或关注层间应力或者关注局部区域的应力时，采用三维单元；
对于需要关注胶层结构应选择内聚力单元或者采用粘性接触；
对于夹层结构，选择三维单元；如果面外应力忽略不计，使用二维单元；
复合材料的紧固件连接采用一维单元进行模拟，如果连接是至关重要的采用三维单元；
当结构形状不规则、变形和应力分布复杂时选用高阶单元，计算精度大于设定值的区域宜选用高阶单元；
精度要求小于设定值的选用低阶单元，不同阶次单元的连接位置应使用过渡单元或多点约束。
6.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：配置网格疏密，至少包括：
进行网格疏密控制的设置，对结构变化大于设定值、曲面曲率变化大于设定值、载荷变化大于设定值和不同材料连接的部位进行细化；
粗细网格过渡采用三角形单元过渡或MPC方式过渡，应力响应关注区域的网格密度大于位移响应关注区域的网格密度，主承力方向的单元尺寸小于设定值，垂直于该方向的单元在满足质量要求时将尺寸放大。
7.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：进行网格划分，包括：
网格划分时保留主要的几何轮廓线，网格与几何轮廓保持一致或者差异在设定范围内，对于实体单元网格，在结构厚度方向上确保三层以上，或者在满足求解精度情况下减少层数；
对称结构应确保铺层属性与实际结构一致，当层压板存在丢层时应按丢层线划分网格，以使得每个部件的单元法向一致。
8.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：配置属性，包括：复合材料结构属性包括单层材料属性、单层铺层厚度、单层铺层角度、铺贴方向和铺层顺序；
配置单层级材料许用值试验矩阵、夹层结构试验矩阵、胶层材料参数试验矩阵、机械连接挤压强度试验矩阵、单层铺层弹性材料参数和网格质量检查标准。
9.如权利要求8所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：单层材料属性使用各向异性线弹性材料模拟复合材料层合板的材料属性，材料属性采用单层级的材料许用值，材料属性包括：
0°或经向和90°或纬向拉伸弹性模量和强度；0°或经向和90°或纬向压缩弹性模量和强度；主泊松比；纵横剪切弹性模量和强度；
0°或经向与90°或纬向拉伸、压缩强度、纵横剪切强度取B基准值，弹性模量取拉伸与压缩弹性性能的平均值，主泊松比取平均值。
10.如权利要求9所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：单层级材料许用值的确定，包括：
确定不同环境条件组合下强度的B基准值和A基准值；
对拉伸和压缩强度的材料许用值，采用经统计处理后的强度B基准值，在方案设计、初步设计阶段，若试验子样小于设定值，数据分散大于设定值，则材料许用值的数值取平均值的85％和B基准值中的大于设定值的值；
对纵横剪切强度的材料许用值，釆用经统计处理后的强度或1.5倍屈服强度B基准值中的小于设定值的值；
取极限剪切强度B基准值作为材料许用值；当纵横剪切强度为关键性能时，应取1.5倍屈服强度B基准值作为材料许用值；
对模量的材料许用值，采用每种环境条件下所有试验数据的平均值。
11.如权利要求8所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：定义铺层参考坐标系，以铺层参考坐标系为每一单层定义铺层角度，定义的名义铺层角度与实际铺层角度偏差不超过设定角度；
定义铺贴堆栈方向与顺序，层合板的铺贴堆栈方向通过单元法向定义，同一层压板区域单元法向应一致并与实际铺贴堆栈方向相同，定义铺层顺序与实际层压板保持一致；
定义铺层偏移，壳网格位于层压板截面中面，保证铺层属性效果与设计一致。
12.如权利要求8所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：配置失效准则，包括：
复合材料结构强度的校核包括基于复合材料单层强度失效理论的强度校核，复合材料单层强度失效理论所采用的强度值采用材料许用值；
根据需求设置失效准则和应力应变的输出，至少包括危险层的应力应变及层压板整体应力应变值。
13.如权利要求8所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：施加边界条件，包括：
按照实际安装条件施加虚拟模型约束，约束区域应能准确反映实际约束情况，按标准或实际试验载荷选择载荷类型，载荷大小、方向和作用区域符合实际载荷情况；
质量载荷应以集中载荷方式施加，非承载结构质量以均布方式加载，并使车体结构的整备质量及重心位置与设计一致。
14.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：施加载荷边界条件后对虚拟模型检查，对网格单元进行检查，以使得满足设定值或者设定范围要求。
15.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：根据虚拟分析模型，进行轨道交通复合材料结构的虚拟测试，包括：
确定材料许用值，采用材料许用值进行初始的承载能力分析；
根据初始阶段结构的承载能力分析，选择关键区域进行后续测试验证；
确定每个设计特征的最关键的强度失效模式；
选择能产生强度关键性失效模式的测试环境；
测试多个元件级别试验样品，每个样品模拟一个选定的失效模式和加载条件，与分析预测进行比较，；
增加测试复杂度，以评估更复杂的加载情况以及几种潜在破损模式的失效可能性；将测试结果与分析预测进行比较，并根据需要调整分析模型或设计值；
确定并根据需要进行全尺寸部件静态测试，以验证内部载荷和结构完整性，并与分析相比较；
进行整车级别的静力学有限元分析，使用确定的设计值进行结构极限强度校核，并进行破坏系数和安全裕度的强度评估。
16.如权利要求1所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：生成虚拟测试结果，包括：
输出结果包含关注部位的应力、应变和变形等值线图的全部或部分内容；
层压板单层结果输出应进行全局铺层的辨识，使得可以以每层为单位追踪结果；根据层压板失效模式输出相应的应力应变值，至少包括危险层的应力应变及层压板整体应力应变值；
层压板结构所受法向力不可忽略、横向剪切效应大于设定值或关注其层间应力或者关注局部区域的应力时，生成层间应力值。
17.如权利要求16所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法，其特征在于：
进行结果的评估，在进行复合材料结构静强度验证时，保证在限制载荷作用下结构不产生有害的变形和损伤；在极限载荷和最严重环境组合条件下，结构不发生总体破坏；
对于极限载荷的强度评估，采用首层失效准则和限制应变方法，复合材料结构的失效包括层压板和夹层结构的失效、机械连接失效、胶粘失效；层压板的失效准则分为基于单层强度的失效准则和基于层合板限制应变失效；
评估包括对有限元模型和失效准则验证评估以及静强度评估验证，其中：
有限元模型和失效准则验证评估是对模型计算结果的收敛性进行检查，分析应力集中位置的合理性，按照积木式分析流程验证有限元模型和失效准则，对比有限元分析结果和试验结果，以试验结果为依据调整有限元分析模型重新计算和评估；
静强度评估验证为：采用经过验证的有限元模型和失效准则进行整车级有限元静强度评估验证，静强度结果满足相应失效准则和设计值时，则结构静强度满足强度要求，依据有限元分析结果进行静强度试验。
18.一种轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析系统，其特征在于：
包括：
要求配置模块，被配置为：配置轨道交通装备复合材料结构虚拟分析的要求，包括：配置基础要求、单位制和坐标系；
模型构建模块，被配置为：根据轨道交通车辆复合材料结构参数建立虚拟分析模型，包括：构建几何拓扑模型，选择单元类型和单元阶次，配置网格疏密，进行网格划分，配置属性，配置失效准则，施加载荷边界条件；
虚拟分析模块，被配置为：根据虚拟分析模型，进行轨道交通复合材料结构的虚拟测试并生成虚拟测试结果。
19.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-17任一项所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法中的步骤。
20.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-17任一项所述的轨道交通车辆复合材料结构虚拟分析方法中的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116205116A (zh) * 2023-05-05 2023-06-02 江铃汽车股份有限公司 一种评估波纹管强度的cae分析方法及系统

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