CN116176005A - 一种面向压剪稳定性的变刚度t型加筋板设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于材料结构设计领域，特别涉及一种面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法。该方法包括步骤S1、将所述T型加筋板设置为由蒙皮与T型筋条组成，所述T型筋条由平行于所述蒙皮的缘条及垂直于所述蒙皮的腹板两部分组成；步骤S2、将所述蒙皮与所述T型筋条均采用多层纤维进行铺设，其中外层进行直线铺放，部分内层基于给定的曲线方程进行曲线铺放，对每一层层合板，所述蒙皮采用具有设定宽度的预浸带同步铺放，所述T型筋条采用长纤维复合材料3D打印。本申请实现了面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计与分析，对变刚度T型加筋板的优化提供了分析基础。

Description

一种面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法

技术领域

本申请属于材料结构设计领域，特别涉及一种面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法。

背景技术

复合材料加筋壁板作为现代飞机的“皮肤”，承担着维形、气密以及承载等功能，尤其随着蒙皮与筋条一体化成型的壁板结构应用，其承载作用日益突出。以机身壁板为例，不但要承受来自环向和轴向的载荷，还要承受来自径向的气压载荷，并且壁板上要开各种孔，用以满足功能实现或工艺需求。因此，作为飞机结构的重要组成部分，其结构形式多样，传载路径复杂，加筋壁板承载效率的优化提升成为提高飞机结构先进性的重要途径。

现有技术中，公开号为CN112078141A的中国发明专利提出了一种复合材料壁板用加强筋及使用方法，加强筋包括了连接部和侧腹板，该专利设计的加强筋能够避免加强筋与壁板装配时出现铺层褶皱或分层粘接，提高制造效率与成型质量。该专利整体是基于热压罐等传统成型工艺下的直线铺放复合材料加筋板的制备过程，与纤维曲线铺放工艺有较大区别。公开号为CN108688196A的中国发明专利提出了一种飞机复合材料壁板的成型方法和成型模具，重点在于包括上下模的成型模具，同样是针对传统热压罐真空成型过程设计的一套装置，并且涉及较少的设计方法。公开号为CN111590794A的中国发明专利提供的复合材料T型加筋壁板热压罐成型模结构及成型方法，与专利CN108688196A类似，主要是传统成型工艺的T型加筋板热压罐成型装置，无法解决变刚度结构的成型问题。

可以看到，现有技术均是基于传统加筋板结构成型过程，涉及到变刚度加筋壁板结构的设计与制造方向，目前尚没有相关专利产生。此外其他技术中涉及到面向压缩稳定性的变刚度复合材料层合板设计、分析与优化等技术，其核心是针对平板的压缩稳定性问题开展了变刚度复合材料理论参考路径规划、铺层规划以及基于Abaqus的压缩稳定性分析实现，并未到达加筋板层级，并且未考虑实际加工中预浸带宽度引起的缺陷等问题，距离实际的加工有一定距离。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请设计了一种新的蒙皮与筋条均变刚度的加筋板设计方法，并结合有限元建模，提出了一整套面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计分析方法。

本申请提供的面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，主要包括：

步骤S1、将所述T型加筋板设置为由蒙皮与T型筋条组成，所述T型筋条由平行于所述蒙皮的缘条及垂直于所述蒙皮的腹板两部分组成；

步骤S2、将所述蒙皮与所述T型筋条均采用多层纤维进行铺设，其中外层进行直线铺放，部分内层基于给定的曲线方程进行曲线铺放，对每一层层合板，所述蒙皮采用具有设定宽度的预浸带同步铺放，所述T型筋条采用长纤维复合材料3D打印。

优选的是，步骤S2进一步包括给定曲线方程，具体包括：

步骤S21、在层合板中心点建立直角坐标系，x轴方向水平，y轴方向垂直，纤维方向与x轴的夹角定义为铺层角，给定层合板中心和边界处的曲线切向与x轴正方向的夹角分别为T₀和T₁，该曲线过原点并关于原点对称，根据夹角T₀、T₁及层合板沿x轴方向的长度设定一参考曲线<T₀|T₁>；

步骤S22、将所述参考曲线<T₀|T₁>在层合板上等距平移，以获得遍布整个蒙皮层合板的其他位置曲线；

步骤S23、由参考曲线及其他位置曲线共同构成所述曲线方程，所述曲线方程描述了层合板任意位置下的纤维铺设的铺层角。

优选的是，步骤S22中，将所述参考曲线<T₀|T₁>在层合板上等距平移包括：沿y轴平移所述参考曲线获得其他位置曲线的平移法，或者沿所述参考曲线的法向等距平移一个距离，定义其他曲线的平行法。

优选的是，当采用平移法移动所述蒙皮层合板上的参考曲线时，在所述参考曲线与相邻的其他位置曲线之间，或者两个相邻的其他位置曲线之间形成间隙区域，不同蒙皮层合板通过单层偏移的方式错开所述间隙区域。

优选的是，该设计方法还包括：

步骤S3、对蒙皮及T型筋条的各层合板进行有限元网格划分，对各网格进行铺层角、铺层厚度及材料属性赋值；

步骤S4、构建蒙皮及T型筋条几何模型，施加指定的压缩和剪切线载荷，确定所述变刚度T型加筋板的各阶屈曲载荷。

优选的是，步骤S3进一步包括：

步骤S31、对各层合板通过有限元进行网格划分，确定每个网格的中心点坐标；

步骤S32、对于T型筋条的各层合板，以所述中心点坐标计算其所处位置处纤维铺设的铺层角，对于蒙皮的各层合板，根据所述曲线方程及预浸带宽度，确定所述中心点坐标所处的位置位于某条预浸带上，或者位于两条预浸带之间的空隙处，或者位于两条预浸带的重叠位置处，从而给出铺层角及铺层厚度。

本申请实现了面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计与分析，对变刚度T型加筋板的优化提供了分析基础。

附图说明

图1是本申请面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法的一优选实施方式的流程图。

图2是线性角度铺放参考路径曲线示意图。

图3是平行法偏移得到的变刚度层合板的其他位置曲线示意图。

图4是对于蒙皮的各层合板进行铺层角计算时的带有效宽度的预浸带示意图。

图5为T型加筋板有限元实现示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，主要包括：步骤S1、将所述T型加筋板设置为由蒙皮与T型筋条组成，所述T型筋条由平行于所述蒙皮的缘条及垂直于所述蒙皮的腹板两部分组成；步骤S2、将所述蒙皮与所述T型筋条均采用多层纤维进行铺设，其中外层进行直线铺放，部分内层基于给定的曲线方程进行曲线铺放，对每一层层合板，所述蒙皮采用具有设定宽度的预浸带同步铺放，所述T型筋条采用长纤维复合材料3D打印。

本申请的变刚度T型加筋板结构可以参考图5，其包括底部平面构成的蒙皮，蒙皮上成型有T型筋条，T型筋条的腹板垂直于蒙皮，T型筋条的缘条贴合在蒙皮上。

在一些可选实施方式中，步骤S2进一步包括给定曲线方程，具体包括：步骤S21、在层合板中心点建立直角坐标系，x轴方向水平，y轴方向垂直，纤维方向与x轴的夹角定义为铺层角，给定层合板中心和边界处的曲线切向与x轴正方向的夹角分别为T₀和T₁，该曲线过原点并关于原点对称，根据夹角T₀、T₁及层合板沿x轴方向的长度设定一参考曲线<T₀|T₁>；步骤S22、将所述参考曲线<T₀|T₁>在层合板上等距平移，以获得遍布整个蒙皮层合板的其他位置曲线；步骤S23、由参考曲线及其他位置曲线共同构成所述曲线方程，所述曲线方程描述了层合板任意位置下的纤维铺设的铺层角。

需要说明的是，参考图1，本申请首先进行蒙皮及T型筋条的铺放曲线的定义，蒙皮的参考曲线路径定义主要采用函数参数法，其中具体的曲线函数可以采用线性函数、样条曲线、流线、圆弧等各类定义方法，其作为整个变刚度蒙皮纤维曲线铺放的参考，决定了结构的刚度分布。如图2所示，本申请首先定义参考曲线<T₀|T₁>：

在层合板中心点建立直角坐标系，x轴方向水平，y轴方向垂直，纤维方向与x轴的夹角定义为铺层角。定义平板中心和边界处的曲线切向与x轴正方向的夹角分别为T₀和T₁，该曲线过原点并关于原点对称，则曲线与x轴正方向夹角的表达式为：

式中a为层合板x轴方向的长度，路径曲线标记为<T₀|T₁>。显然，当T₀＝T₁时，该纤维路径下的变刚度层合板转化为常规层合板。通过沿y轴等距平移参考路径曲线可以得到层合板其他位置的纤维路径。

参考路径曲线的斜率为：

得到参考路径曲线的轨迹为：

在步骤S22中，将所述参考曲线<T₀|T₁>在层合板上等距平移，以获得遍布整个蒙皮层合板的其他位置曲线，在一些可选实施方式中，步骤S22中，将所述参考曲线<T₀|T₁>在层合板上等距平移包括：沿y轴平移所述参考曲线获得其他位置曲线的平移法，或者沿所述参考曲线的法向等距平移一个距离，定义其他位置曲线的平行法。

平移法的设计、制造实现方式均较为简单。对于蒙皮来讲，由于铺放过程中采用的是具有一定宽度的预浸带，并且是多条预浸带同步铺放，因而存在预浸带间间隙、重叠等缺陷，并且要考虑最小曲率半径限制。平行法如图3所示，该方法在设计、制造过程中均有一定难度，并且对最小曲率半径限制更大，但是该方法不会出现间隙和重叠缺陷，可依据需求选择。

本申请对蒙皮和T型筋条的所述参考曲线<T₀|T₁>平移是不同的，对于T型筋条而言，限于筋条的尺寸，采用长纤维复合材料3D打印技术制造，由于其采用纤维丝铺设，因而宽度可以忽略，也即无需考虑最小曲率半径、间隙、重叠等制造问题。当然需要注意的是，筋条由缘条和腹板组成，腹板与筋条垂直，设计时需要考虑坐标位置的变化。而对于蒙皮来讲，蒙皮采用的纤维曲线铺放工艺必须考虑预浸带宽度的影响，因而筋条的平移策略可以作为蒙皮平移策略的特例，此处重点介绍蒙皮参考曲线路径平移策略。

如图4所示，若单条预浸带宽度为W_t，条数为N_t，则一次铺放预浸带最大宽度，也即铺放带宽度，W_max为：

W_max＝W_t·N_t(4)

铺放带在y方向的有效宽度W_eff为：

式中，θ为铺放带中心线上一点(x,y)所对应的角度。

定义中心铺放带为0号铺放带，记0号铺放带中心线上任意一点的坐标为(x0，y0)，则其满足方程(1)-(3)，从而：

其他位置曲线路径定义及纤维角度采用的曲线偏移方法为平行法，如图4所示，确定0号铺放带中心线路径后，其他铺放带的路径通过将0号铺放带中心线路径沿着曲线法向方向平移，即保证所有铺放带处于等间距关系，该方法可以有效解决重叠和间隙等缺陷。如图4所示，板上任意一点P(x，y)，其必然位于0号铺放带中心参考路径的等距曲线上，设该等距曲线与中心参考路径的距离为d(定义向上为正，向下为负)，则等距曲线方程可以写为：

消去d后可以得到关于x0的非线性方程：

(x-x₀)+(y-y₀(x₀))tan[θ(x₀)]＝0 (9)

求解上述非线性方程即可得到P点处的纤维角度θ(P)＝θ(x₀)。同时，根据距离d(公式(10))，可以确定P点位于k号铺放带：

式中，floor()为向下取整。

回到步骤S2，外层进行直线铺放，部分内层基于给定的曲线方程进行曲线铺放的一个具体实施例例如：[45/<0|45>/-45/-45/<0|-45>/45]。

其中45表示按此铺层角进行直线铺设，<0|45>表示参考曲线<T₀|T₁>中T₀和取值0，T₁取值45°。

另外需要说明的是，蒙皮与筋条铺层策略是指复合材料层合板由单层到多层过程中的规划策略，如无特殊设计，通常要满足对称铺层的要求，具体关于变刚度结构的铺层策略总结如下：

①对于稳定性分析，原则上应满足使板中心区域纤维方向垂直于载荷方向，两侧区域纤维方向平行于载荷方向，从而达到将载荷从板中心区域转移到两侧简支边附近，达到提高结构失稳载荷的目的。

②纤维曲线铺放工艺需考虑制造工艺对变刚度复合材料结构设计的限制，特别是最小曲率半径的影响，并注意控制间隙、重叠等缺陷。

③变刚度层合板设计时同样应满足对称均衡要求。

④为避免最外层出现重叠或间隙区域，变刚度层合板可采用直曲线混合铺放方式，最外层采用直线铺放，内层采用曲线铺放。

⑤为避免间隙区域积聚在每单层的同一处，若存在取向相同铺层，可采用单层偏移的方法削弱其影响。该实施例中，当采用平移法移动所述蒙皮层合板上的参考曲线时，在所述参考曲线与相邻的其他位置曲线之间，或者两个相邻的其他位置曲线之间形成间隙区域，不同蒙皮层合板通过单层偏移的方式错开所述间隙区域。

⑥丝束切断法有三种切断方式：不覆盖、半覆盖和全覆盖。在允许的情况下，针对屈曲稳定性设计要求，建议采用全覆盖方法。

回到图1，本申请对设计的变刚度T型加筋板需要进行有限元分析，以便进行铺层角度的优化，在一些可选实施方式中，该设计方法还包括：

步骤S3、对蒙皮及T型筋条的各层合板进行有限元网格划分，对各网格进行铺层角、铺层厚度及材料属性赋值。

在一些可选实施方式中，步骤S3进一步包括：步骤S31、对各层合板通过有限元进行网格划分，确定每个网格的中心点坐标；步骤S32、对于T型筋条的各层合板，以所述中心点坐标计算其所处位置处纤维铺设的铺层角，对于蒙皮的各层合板，根据所述曲线方程及预浸带宽度，确定所述中心点坐标所处的位置位于某条预浸带上，或者位于两条预浸带之间的空隙处，或者位于两条预浸带的重叠位置处，从而给出铺层角及铺层厚度。

该实施例中，对于定义的参考曲线和平移策略在有限元实现过程中需要进行离散化处理，即将相应的曲线对应到有限元网格中，确定划分的每一个网格对应于参考曲线和平移曲线的位置，并将相应的属性赋予该单元，主要的技术要点包含以下几个方面：

对于T型筋条结构，筋条结构采用3D打印技术制备，其纤维丝铺放可按照理想无宽度曲线设计，因而无需考虑曲率半径、间隙与重叠等缺陷问题，因而其具体实现步骤如下：①筋条模型网格划分，将模型离散成合适大小的单元，通常单元密度越大尺寸越小，离散精度越高，但是需要考虑计算能力，将网格离散成合适大小；②针对离散后的模型，获取模型中的每一个单元节点的坐标，并以此计算单元中心点的坐标，以中心点坐标的位置判断整个单元所处的变刚度曲线的位置；③将每一个单元中心点坐标带入参数曲线的角度计算表达式中，获取该中心点的纤维角度，即为该单元的纤维铺放角；④遍历所有单元后，获取每一个单元对应的铺放角度，并定义成角度离散场，在材料属性设置时，为每一个单元赋予角度属性。

对于蒙皮结构，蒙皮结构采用预浸带自动铺放技术制备，由于预浸带宽度无法忽略，因而必然要考虑曲率半径、间隙与重叠等缺陷问题，否则设计的变刚度结构无法工程实现，数值分析也无法保证计算精度，因而其具体实现步骤更为复杂一些，具体包括：①蒙皮模型网格划分，与筋条一样，首先需要将模型离散成合适大小的单元，平衡精度与效率之间的关系；②针对离散后的蒙皮模型，获取模型中的每一个单元节点的坐标，并以此计算单元中心点的坐标，以中心点坐标的位置判断整个单元所处的变刚度曲线的位置；③结合蒙皮参考曲线路径定义函数以及考虑预浸带宽度的平移策略，将每一个单元中心点坐标带入参数曲线表达式中，判断该点所处的位置(某条预浸带上、两预浸带间间隙位置、两预浸带重叠位置)；④定义预浸带上、两预浸带间间隙位置和两预浸带重叠位置三种位置的角度、厚度以及材料属性定义方法；⑤遍历所有单元后，获取每一个单元对应的位置，并定义成离散场，在材料属性设置时，为每一个单元赋予角度、厚度以及材料属性。

由上述步骤可以看出，对于T型筋条只需要给出铺层角即可，而对于蒙皮由于预浸带的铺设重叠以及间隙的存在，还需要给出厚度参数。上述步骤可以通过Python二次开发实现，计算获得蒙皮和筋条的离散场，分别赋予相应的属性。

步骤S4、构建蒙皮及T型筋条几何模型，施加指定的压缩和剪切线载荷，确定所述变刚度T型加筋板的各阶屈曲载荷。

如图1所示，该步骤主要包括T型加筋板有限元设计建模以及有限元后处理，T型加筋板有限元设计建模需要结合Abaqus有限元软件进行，步骤如下：a)几何模型构建与装配：分别在Abaqus的Part模块中建立蒙皮和筋条部件，并在Assembly中依据相对位置关系进行装配。b)材料赋予：在Abaqus的Property中定义材料基本属性，并结合前述步骤形成的离散场，对每一个单元赋予角度、厚度、材料属性等。c)分析步设置：线性屈曲分析在Abaqus的Step模块中新建Buckle分析步，设置特征值阶数。d)接触定义：设置蒙皮与筋条之间的Tie关系；e)载荷和边界条件设置：载荷包括压缩载荷和剪切载荷，在底边固定的边界条件下，分别设置顶边和两侧边的压缩和剪切线载荷大小(N/mm)f)提交计算：以上设置完成后提交计算，分析计算结果。在一个具体实施例中，构建的T型加筋板如下图5所示，其中Buckle分析步中设置特征值阶数为5阶，压剪稳定性分析的顶边和两侧边的压缩和剪切线载荷大小为5N/mm。

有限元后处理主要是获得结构的各阶特征值，方便计算各阶屈曲载荷。结构的各阶屈曲载荷等于(各阶特征值)×(线载荷)×(加载边长度)。在一个具体实施例中，以尺寸200mm×200mm T型加筋板为例，计算获得的一阶特征值为5.8951，线载荷为5N/mm，板宽为200mm，因而一阶屈曲载荷计算可得：5.8951×5N/mm×200mm＝5895.1N。

本申请构建了面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计分析方法与有限元分析流程；考虑铺放质量、铺放效率以及工艺实现，提出了变刚度蒙皮采用纤维曲线铺放技术，变刚度筋条采用长纤维复合材料3D打印技术；平衡成型表面质量与承载效率，提出了外层采用直线铺放或平行法铺放，内部层采用平移法或平行法铺放的铺层平移策略；提出了有限元变刚度实现方式，建立离散场，定义角度、厚度与材料属性；明确了面向压剪稳定性的屈曲载荷计算方式。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1、将所述T型加筋板设置为由蒙皮与T型筋条组成，所述T型筋条由平行于所述蒙皮的缘条及垂直于所述蒙皮的腹板两部分组成；

步骤S2、将所述蒙皮与所述T型筋条均采用多层纤维进行铺设，其中外层进行直线铺放，部分内层基于给定的曲线方程进行曲线铺放，对每一层层合板，所述蒙皮采用具有设定宽度的预浸带同步铺放，所述T型筋条采用长纤维复合材料3D打印。

2.如权利要求1所述的面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，其特征在于，步骤S2进一步包括给定曲线方程，具体包括：

步骤S21、在层合板中心点建立直角坐标系，x轴方向水平，y轴方向垂直，纤维方向与x轴的夹角定义为铺层角，给定层合板中心和边界处的曲线切向与x轴正方向的夹角分别为T₀和T₁，该曲线过原点并关于原点对称，根据夹角T₀、T₁及层合板沿x轴方向的长度设定一参考曲线<T₀|T₁>；

步骤S22、将所述参考曲线<T₀|T₁>在层合板上等距平移，以获得遍布整个蒙皮层合板的其他位置曲线；

步骤S23、由参考曲线及其他位置曲线共同构成所述曲线方程，所述曲线方程描述了层合板任意位置下的纤维铺设的铺层角。

3.如权利要求2所述的面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，其特征在于，步骤S22中，将所述参考曲线<T₀|T₁>在层合板上等距平移包括：沿y轴平移所述参考曲线获得其他位置曲线的平移法，或者沿所述参考曲线的法向等距平移一个距离，定义其他位置曲线的平行法。

4.如权利要求3所述的面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，其特征在于，当采用平移法移动所述蒙皮层合板上的参考曲线时，在所述参考曲线与相邻的其他位置曲线之间，或者两个相邻的其他位置曲线之间形成间隙区域，不同蒙皮层合板通过单层偏移的方式错开所述间隙区域。

5.如权利要求1所述的面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，其特征在于，该设计方法还包括：

步骤S3、对蒙皮及T型筋条的各层合板进行有限元网格划分，对各网格进行铺层角、铺层厚度及材料属性赋值；

步骤S4、构建蒙皮及T型筋条几何模型，施加指定的压缩和剪切线载荷，确定所述变刚度T型加筋板的各阶屈曲载荷。

6.如权利要求5所述的面向压剪稳定性的变刚度T型加筋板设计方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

步骤S31、对各层合板通过有限元进行网格划分，确定每个网格的中心点坐标；

步骤S32、对于T型筋条的各层合板，以所述中心点坐标计算其所处位置处纤维铺设的铺层角，对于蒙皮的各层合板，根据所述曲线方程及预浸带宽度，确定所述中心点坐标所处的位置位于某条预浸带上，或者位于两条预浸带之间的空隙处，或者位于两条预浸带的重叠位置处，从而给出铺层角及铺层厚度。

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