CN116522420B - 用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法及系统，该方法利用建模系统根据需求曲面柱结构参数导入或新建曲面柱体几何模型，结合复合材料的种类对几何模型进行分区处理，作为复合材料基础模型；分区建立坐标系以确定材料方向结合力学性能测试配置进行赋予材料本构；进一步依据力学性能测试配置和模型尺寸设置布种参数对模型分区赋予网格；分别对各分区进行堆栈方向指派，完成曲面柱复合材料仿真模型的设计。采用该方案能够精确灵活地根据需求的参数实现曲面柱体复合材料结构的仿真设计，为该类型结构的性能测试提供可靠的支持，操作简明，适用性强且有利于实现更全面的性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及石油装备性能试验与评估技术领域，尤其涉及一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法及系统。
背景技术
以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的先进纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比刚度、优良的耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、土木等工程领域，但是针对复合材料的数值仿真研究存在局限性，传统的针对复合材料的研究或数值仿真大多针对层合板，还有少数研究是针对圆环结构的复合材料仿真，针对复合材料曲面柱体的精确数值仿真难以实现。基于此，围绕曲面柱体复合材料的力学性能测试基本上还需要针对柱体复合材料实体开展，仅能得到滞后性性能测试结果，且可执行的测试项目受限，无法提供全面的性能设计支持数据，另外，测试成本较高，实用性不足。
由此可见，亟需提供一种能够精确实现曲面柱体复合材料仿真设计的方案，为曲面柱体复合材料的力学性能研究提供支撑。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法，在一个实施例中，所述方法包括：
基础模型构建步骤：根据需求的曲面柱结构参数利用建模系统导入或新建曲面柱体几何模型，结合复合材料的种类对几何模型进行分区处理，作为复合材料基础模型；其中，将复合材料基础模型划分为外环部分和內芯部分；所述外环部分包含一种或多种材料对应的一个或多个环柱结构；
坐标方向确定步骤：针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系，基于所述坐标系设定不同分区的材料方向；
材料本构赋予步骤：根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数，结合所述材料本构分布参数和材料方向对模型分区赋予材料本构，进行铺层设置；
网格赋予步骤：基于分区赋予材料本构后的模型，依据模型大小和力学性能测试配置设置匹配的布种参数，对模型整体赋予网格；
堆栈方向指派步骤：针对不同分区设置匹配的参考方向，结合铺层设置参数分别对各分区进行堆栈方向指派，完成曲面柱复合材料仿真模型的铺层设计。
优选地，一个实施例中，所述基础模型构建步骤中，对几何模型进行分区处理的过程包括：
根据复合材料的种类数对所述曲面柱体几何模型的端面进行均匀环形分区，进而基于环形沿柱体方向实现切分，得到与复合材料种类数匹配的复合材料基础模型。
进一步地，在分区铺层设置步骤中，针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系的过程包括：
针对每个环柱结构，采用离散材料方向建立对应的坐标系，以纤维方向为R轴，圆周方向为T轴，预设纤维堆叠方向为Z轴；
针对內芯部分，将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分，针对拆分的不同结构分别采用匹配的离散材料方向建立坐标系。
一个实施例中，针对內芯部分，将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分的过程包括：
将內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形和围绕在矩形四周的四个圆弧形，则內芯柱体整体沿柱体方向切分为长方体和分布在长方体外围的四个圆弧柱体；
基于內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形的过程中，根据內芯柱体端面圆形或椭圆形的内径，按照设定比例选取设定尺寸作为长和宽，构建中心与圆心重合的矩形。
可选地，一个实施例中，针对內芯柱体的圆弧柱体，采用离散材料方向建立坐标系；
针对內芯柱体的长方体，在原点端以柱体方向为X轴建立局部直角坐标系，将所述局部直角坐标系作为內芯长方体的坐标系。
进一步地，一个实施例中，材料本构赋予步骤中，所述力学性能测试配置参数由设计人员根据当前模型可能参与的性能测试类型和性能测试参数制定，单个模型可以存在一种多或多种力学性能测试配置参数组合，每种力学性能测试配置参数组合适用于一项或多项性能测试实验。
一个优选的实施例中，材料本构赋予步骤中，根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数的过程包括：根据力学性能测试配置参数对相应分区的结构进行进一步位置划分，针对不同的位置设置匹配的材料本构参数，形成当前分区的材料本构分布参数。
进一步地，可选的实施例中，网格赋予步骤中，依据模型大小和力学性能测试配置设置布种参数的过程中，分区不同位置的网格布种参数可以不同。
基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的其他方面，本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可实现如上述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码。
基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的应用方面，本发明还提供一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计系统，该系统执行如上述任意一个或多个实施例中所述的方法。
与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：
本发明提供的一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法及系统，该方法利用建模系统根据需求曲面柱结构参数导入或新建曲面柱体几何模型，结合复合材料的种类对几何模型进行分区处理，作为复合材料基础模型；采用该方案能够有效精确地根据需求的参数实现曲面柱体复合材料结构的仿真设计，操作简明，适用范围广，能够适用与不同参数的曲面柱体结构，不限于圆柱体复合材料结构。
进而针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系，确定材料方向，针对不同分区独立建立坐标系确定材料方向，能够保障材料方向的精确性和适配性。根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数，结合所述材料本构分布参数和材料方向对模型分区赋予材料本构；赋予材料本构前考虑当前模型可能需求的性能测试配置，对模型设置材料本构分布参数，在控制数据处理量的基础上，保障模型能够很好地满足测试需求。
进而设置布种参数，基于赋予材料本构后的模型分区实现网格赋予，并针对不同分区设置匹配的参考方向，进行堆栈方向指派，完成曲面柱复合材料仿真模型的铺层设计。采用该方案先基于需求参数仿真设计相应结构，基于该仿真结构实现力学性能测试，不需要基于真实结构件进行测试，不仅避免了真实结构件的研发和制造成本和时间消耗，而且节约了硬件性能测试设备以及人力资料消耗。
另一方面，采用本发明仿真设计的曲面柱体结构实现测试，能够基于更全面的测试实例和参数开展测试，可以包含实际硬件测试过程无法实现的项目或者根据理想的难以实现的测试循环规模进行操作，测试灵活性和精确性更高。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例所提供的用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的流程示意图；
图2是本发明实施例所提供从内到外按圈铺置不做任何处理的复合材料圆柱体示意图；
图3是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的圆形端面几何模型示意图；
图4是本发明一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的两种材料的模型切分效果示意图；
图5是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的赋予材料操作界面示意图；
图6是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的环形柱体部分坐标系示意图；
图7是本发明另一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的內芯部分拆分结构示意图；
图8是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的整体模型內芯拆分后的结构示意图；
图9是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的內芯圆弧柱体坐标系示意图；
图10是本发明一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的圆弧体材料赋予完成后的效果示意图；
图11是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的中心长方体局部坐标系建立操作界面示意图；
图12是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的中心长方体的材料方向示意图；
图13是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的扫掠网格赋予操作界面示意图；
图14是本发明一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的布种设置界面示意图；
图15是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的整体赋予网格后的模型示意图；
图16是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的模型端部网格情况示意图；
图17是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的模型外环柱体堆栈方向指派效果示意图；
图18是本发明一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的內芯圆弧柱体堆栈方向指派效果示意图；
图19是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的內芯长方体堆栈方向指派效果示意图；
图20是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的模型整体堆栈网格剖开效果示意图；
图21是本发明另一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的环柱体局部网格分布示意图；
图22是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的最外层的网格块示意图；
图23是本发明一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的中心为四面体（长方体）时模型的端面网格分布示意图；
图24是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的中心为五面体时模型的端面网格分布示意图；
图25是本发明实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的中心为六面体时模型的端面网格分布示意图；
图26是本发明另一实施例所提供用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
计算机设备包括用户设备与网络设备。其中，用户设备或客户端包括但不限于电脑、智能手机、PDA等；网络设备包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算的由大量计算机或网络服务器构成的云。计算机设备可单独运行来实现本发明，也可接入网络并通过与网络中的其他计算机设备的交互操作来实现本发明。计算机设备所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、VPN网络等。
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
先进纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比刚度、优良的耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、土木等工程领域，例如碳纤维增强树脂基复合材料，但是针对复合材料的数值仿真研究存在局限性，传统的针对复合材料的研究或数值仿真大多针对层合板，还有少数研究是针对圆环结构的复合材料仿真，针对复合材料曲面柱体的精确数值仿真难以实现。基于此，围绕曲面柱体复合材料的力学性能测试基本上还需要针对柱体复合材料实体开展，仅能得到滞后性性能测试结果，且可执行的测试项目受限，无法提供全面的性能设计支持数据，另外，测试成本较高，实用性不足。
由此可见，亟需提供一种能够精确实现曲面柱体复合材料仿真设计的方案，为曲面柱体复合材料的力学性能研究提供支撑。
曲面柱体复合材料（如圆柱体复合材料）由于其纤维束大多都是沿柱体排列，可以获得极强的抗拉力，因此在石油开采领域得到推广应用，例如，实际应用中，Ø16mm的碳纤维增强树脂基复合材料做成的抽油杆抗拉力可达到30 0000N左右。
铺层就是复合材料进行一层一层的堆叠，我们堆叠的材料层叫一层一层的铺层，它是有方向的，它的每一层的纤维角度也是可以变化的，在进行复合材料的仿真时，铺层设置通常是必要的。复合材料由不同方向的纤维层叠加而成,每—层的纤维方向和属性都可以不同。通过合理设置铺层，可以模拟复合材料在不同方向上的力学性能和行为，例如，我们通过设置铺层，就可以模拟复合材料在各个方向上的应力、应变和失效行为,例如拉伸、弯曲、剪切等载荷情况下的性能。
层合板的材料堆叠方向是垂直与纤维的方向的圆环，就需要将层合板的首尾连起来，这样圆环的铺层就是由内向外或由外向内，但是针对圆柱结构，研究发现不管是从内到外或者从外到内，柱体铺层总是不可避免的从一个曲面坍缩成一条线，或从一条线扩张成一个面，因此直接对柱体进行铺层设置是不可行的。
鉴于利用现有技术无法可靠实现曲面柱体复合材料的铺层设计仿真，本发明提供一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法，解决在曲面柱体复合材料难以设置铺层方法和堆栈方向的问题，利用网格拆分避免了曲面柱体复合材料仿真分析时由于铺层设计不当或堆栈方向不当引发的单元翘曲和网格畸变问题，实现精确的曲面柱体复合材料仿真设计，为后续进行复合材料热力耦合、断裂分析、疲劳损伤模拟等力学性能测试提供可靠的支持。
具体地，本发明实施例采用对柱体进行去心处理的拆分思路，以圆柱体为例，也就是将圆心区域和外围区域单独的进行处理，优选地将圆心等效成层合板，可有效避开铺层点对线的问题，也将对圆心的处理问题转化为对层合板处理的问题。
接下来基于附图详细描述本发明实施例的方法的详细流程，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一：
图1示出了本发明实施例一提供的用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法的流程示意图，参照图1可知，该方法包括如下步骤。
基础模型构建步骤：根据需求的曲面柱结构参数利用建模系统导入或新建曲面柱体几何模型，结合复合材料的种类对几何模型进行分区处理，作为复合材料基础模型。
坐标方向确定步骤：针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系，基于所述坐标系设定不同分区的材料方向。
材料本构赋予步骤、根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数，结合所述材料本构分布参数和材料方向对模型分区赋予材料本构。
网格赋予步骤：基于分区赋予材料本构后的模型，依据模型大小和力学性能测试配置设置匹配的布种参数，对模型整体赋予网格。
堆栈方向指派步骤：针对不同分区设置匹配的参考方向，结合铺层设置参数分别对各分区进行堆栈方向指派，完成曲面柱复合材料仿真模型的铺层设计。
在做复合材料仿真设计的过程中，复合材料的铺层是必须进行规定的，复合材料铺层是对复合材料层叠方向的规定，一般沿堆栈方向逐层铺放复合材料。整体结构布置不同的铺层角度和铺层顺序，可以使材料表现出不同的力学性能。
实际应用时，若直接进行网格划分而不做任何处理会导致堆栈方向的混乱，如图2所示；这样的模型不论做什么测试或分析都会导致测试误差和数值失真，原因是纤维铺层方向规定歧义，他的底层原理是单纯模拟材料从内到外一圈一圈铺出来的效果；以板材结构为例，那么他的铺层就可以是从低到顶进行铺层，也就是像建楼房一样从底层建起来，在现实中这种操作是常用的，当然也是符合逻辑的；而曲面柱体复合材料的铺层就不能采用同样的逻辑，比如我们采用碳纤维复合材料抽油杆，他的成型是通过拉挤工艺制成的，目前在数值仿真领域中通常只能用从内到外一圈一圈铺出来的形式来模拟此过程，但是，从逻辑上讲，材料铺层是从一条线向四面八方发散成一个圆环面的，其过程的材料方向是越来越多的，采用现有技术在逻辑上是说不通的，会导致材料方向（铺层方向）的规定歧义，所以实际进行仿真设计时必须对曲面柱体复合材料进行特别处理。
采用本发明实施例的方案，拆分赋予的曲面柱体网格从内到外网格大小是越来越大的，直到最外层的网格块弯曲成一个弧面体；能够有效解决做曲面柱体复合材料的仿真分析时的由复合材料方向和铺层问题引起的网格畸变和网格穿透现象。
优选的实施例中，本发明利用有限元分析软件ABAQUS实现曲面柱体复合材料的仿真设计，在所述基础模型构建步骤中，基于需求的配置参数使用ABAQUS中的Part模块构建或导入曲面柱体几何模型，几何模型的端面可以为圆形或椭圆，当几何模型的端面为圆形时，则建立圆柱体几何模型，如图3所示。
进一步地，在所述基础模型构建步骤中还结合复合材料的种类对几何模型进行分区处理，作为复合材料基础模型。
优选的实施例中，对几何模型进行分区处理的过程包括：
根据复合材料的种类数对所述曲面柱体几何模型的端面进行均匀环形分区，进而基于环形沿柱体方向实现切分，得到与复合材料种类数匹配的复合材料基础模型。其中，这里的材料种类的划分原则是看它的材料有没有分层，材料分布有明显的界限，假设需要建立的结构，外皮是玻璃纤维（GFRP）的，芯部是碳纤维（CFRP）的，两种材料分布有明显的界限，那么就要对模型划分不同分区，例如外环部分和内芯部分，但是如果玻璃纤维束（GFRP）和碳纤维束（CFRP）混合起来，没有明显分层，那么就没必要进行区分外环内芯，直接作为一种材料对待。实际应用时，单种材料的曲面柱体则可以直接作为內芯部分柱体进行后续处理。
如果需求的材料是两种或两种以上的，那么将曲面柱体进行环形切分不受复合材料的具体形式所限，三种及三种以上，或者不同材料分区间隔分布继续切分即可。这里的实施例展示两种材料的切分效果，如图4所示，为圆柱体结构采用两种材料时的模型切分情况。
另外的，针对材料种类为一种的情况，也可以采用本发明实施例中的方案，包括单种材料的情况以及多种材料但混合分布的情况，这样就视为不存在外环部分，直接将构建的基础曲面柱体模型作为內芯部分执行后续操作即可。
进一步地，通过分区铺层设置步骤，针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系，进而对模型分区赋予材料本构，进行铺层设置；
实际应用时，优选的实施例中，本发明采用ABAQUS的使用Property（特性）模块对模型赋予材料本构，并进行铺层设置，操作界面如图5所示，这里分外层（环形）和内芯，当整体模型为圆柱体的时候，內芯结构也为圆柱体。
优选的实施例中，在所述分区铺层设置步骤中，针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系的过程包括：
将复合材料基础模型划分为外环部分和內芯部分；所述外环部分包含一种或多种材料对应的一个或多个环柱结构；
针对每个环柱结构，采用离散材料方向建立对应的坐标系，可以设置沿柱体方向为R轴，圆周方向为T轴，环柱法向方向为Z轴；
针对內芯部分，将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分，针对拆分的不同结构分别采用匹配的离散材料方向建立坐标系。
实际应用时，环形柱体部分直接建立柱坐标系，采用离散材料方向即可，以沿柱体方向为R轴，圆周方向为T轴，法向方向为Z轴建立坐标系，如图6所示，图中，Ref1为沿柱体方向，即R轴方向，设置为纤维方向， 2为圆周方向，即T轴方向，3为法向方向，即Z轴方向，作为假设纤维堆叠方向。
进一步地，可选的实施例中，针对內芯部分，将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分的过程包括：
将內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形和围绕在矩形四周的圆弧形，则沿柱体方向切分为长方体和分布在长方体外围的圆弧柱体。
可使用ABAQUS的Partition Face: Sketch命令对內芯柱体的端面进行拆分，以圆柱体內芯为例，內芯部分的端面为圆形，那么使用Partition Face: Sketch命令对內芯的圆形端面进行拆分，拆分为中心正方形和围绕在矩形四周的圆弧形，拆分端面如图7所示，整体模型內芯拆分后的结构如图8所示，将圆柱体拆分成了4个圆弧柱体加一个长方体。
其中，一个优选的实施例中，基于內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形的过程中，根据內芯柱体端面圆形或椭圆形的内径，按照设定比例选取设定尺寸作为长和宽，构建中心与圆心重合的矩形。以圆柱体模型为例，端面內芯正方形的大小根据模型的直径不同可以酌情考虑，可优选设置模型的圆柱体直径为正方形的边长为2.5倍。
进一步地，之后可使用Partition Cell: Extrude/Sweep Edges命令拆分实体，分别对4个圆弧柱体赋予材料本构，依旧采用离散材料方向。
具体地，可选的实施例中，针对內芯柱体的圆弧柱体，采用离散材料方向建立坐标系，以沿柱体方向为R轴，并赋予材料本构，如图9所示，Ref1为沿柱体方向，设置为纤维方向，即R轴方向，2为圆周方向，即T轴方向，3为法向方向，即Z轴方向，作为假设纤维堆叠方向；圆弧体材料赋予完成后的效果如图10所示。
针对內芯柱体的长方体，先在原点端以沿柱体方向为X轴建立局部直角坐标系，以与X轴同一水平面内垂直方向作为Y轴，以与X轴同一垂直面内垂直方向为Z轴， 建立长方体內芯结构的坐标系，并赋予材料本构。
实际应用时，对中心长方体赋予材料本构，先要建立一个局部坐标系，使用CreateDatum CSYS: 3 Points命令在原点端建立局部直角坐标系；操作界面示例如图11，对长方体赋予与圆弧体相同的属性，确定中心长方体的材料方向如图12所示，Ref1方向为沿柱体方向，即X轴，2方向为Y轴，3方向为Z轴；在ABAQUS中Ref1一般采用蓝色表示、1一般和Ref1同向，采用青色表示，2一般采用黄色显示，3一般采用红色显示。
接下来，通过材料本构赋予步骤根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数，结合所述材料本构分布参数和材料方向对模型分区赋予材料本构。优选的实施例中，材料本构赋予步骤中，所述力学性能测试配置参数由设计人员根据当前模型可能参与的性能测试类型和性能测试参数制定，单个模型可以存在一种多或多种力学性能测试配置参数组合，每种力学性能测试配置参数组合适用于一项或多项性能测试实验。
优选的实施例中，在所述材料本构赋予步骤中，根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数的过程包括：根据力学性能测试配置参数对相应分区的结构进行进一步位置划分，针对不同的位置设置匹配的材料本构参数，形成当前分区的材料本构分布参数。
考虑到不同材料种类、不同结构参数对应的曲面柱体可能具备不同的性能特征和用途，相应地，对应不同的力学性能测试实验，本发明实施例中针对不同的力学性能测试需求对曲面柱体复合材料仿真模型进行赋予材料本构，即根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数；基于此，针对材料种类和结构参数相同的曲面柱体仿真模型，可以根据力学性能测试需求设置一种或多种材料本构分布参数。例如若当前曲面柱体仅用于执行某一种针对性的力学性能测试，则针对该种测试设置适配的材料本构分布参数即可；而若当前曲面柱体可能用于多种类型的力学性能测试，则需要综合多种力学性能测试的要求设置当前曲面柱体模型的材料本构分布参数。
进一步地，各模型不同位置的材料本构参数可以不同，具体根据力学性能测试的实验需求设置，例如，若当前仿真的曲面柱体模型已明确需要进行的是局部拉伸测试，则针对设定位置进行特定的材料本构参数设置，其他区域可采用常规的材料本构参数，节省数据运算及后续材料铺层操作资源的同时，保障仿真模型对性能测试的适配性。
材料本构描述了材料的应力和应变之间的关系，根据材料的物理特性和行为规律，建立一种数学模型，用来描述材料行为规律的；实际应用时，可以根据材料的实验性能行为情况定义材料的本构模型，例如我们要研究材料的塑性行为，那么我们可以选择VonMises、Mohr-Coulomb、Drucker-Prager等，其他的适用于复合材料的本构还包括：
1.各向同性弹性模型(Isotropic Elasticity)，
2.各向异性弹性模型（Anisotropic Elasticity），
3.非线性弹性模型(Nonlinear Elasticity)，有Mooney-Rivlin模型、Hyperelastic模型等。
在赋予材料本构之后，接着进行铺层设置，根据各分区结构的坐标系设置铺层方向，采用铺层角度的形式限定，如将外环铺层角度设置0，45，90，-45，那么因我的纤维方向的不同会显现出不同的力学性能。
铺层设置通常包括定义每一层的纤维方向、纤维体积分数、纤维类型(如碳纤维、玻璃纤维等)、纤维属性（如弹性模量、屈服强度)等等。这些参数对于较精确地模拟复合材料的力学响应是至关重要的；纤维类型是可以不一样的，比如第一层是碳纤维（CFRP），第二层可以是玻璃纤维（GFRP）以此类推；定义一个材料的基本属性，比如弹性模量、泊松比、密度、屈服应力、塑性应变等等这些，这是基本的属性参数，用来描述材料的基本特性。
进一步地，执行网格赋予步骤，基于分区赋予材料本构后的模型，依据模型大小和力学性能测试配置设置匹配的布种参数，对模型整体赋予网格。
优选的实施例中，依据模型大小和力学性能测试配置设置布种参数的过程中，单个分区结构不同位置的网格布种参数可以不同。例如，针对需要实质进行拉伸性能测试的位置，则需要设置适配的布种参数值，以使该区域赋予的网格密集程度达到应用水平，而其他区域则可灵活赋予密度较低的网格。
该操作中，使用ABAQUS中的Mesh模块对模型进行网格赋予，首先使用Assign MeshControls命令将整个模型变成扫掠网格（sweep），操作界面如图13所示；
再使用Seed Part lnstance命令对模型进行全局布种，根据模型大小酌情设置布种参数，这里选择布种大小 为1，如图14所示。
进而使用Mesh Part lnstance命令对全局划分网格，整体赋予网格后的模型如图15所示，模型端部网格情况如图16。
可选的实施例中，进一步执行堆栈方向指派步骤，针对不同分区设置匹配的参考方向，结合铺层设置参数分别对各分区进行堆栈方向指派，完成曲面柱复合材料仿真模型的铺层设计。其中，针对模型的每一个网格空间，根据当前网格空间所属分区的坐标系确定参考方向，实现堆栈方向指派。
优选的实施例中，在所述堆栈方向指派步骤中，针对一个或多个环形柱体部分，分别设置环形柱外表面为参考方向（参考位置）进行堆栈方向指派；针对內芯的各个圆弧柱体，设置其圆弧面为参考方向分别进行堆栈方向指派；针对內芯长方体部分，设置其法线方向为参考方向进行堆栈方向指派，结合坐标系和铺层设置参数实现仿真模型的整体铺层设计。
实际应用时，使用ABAQUS中的Assign Stack Direction（指定堆栈方向）命令对模型网格进行堆栈方向指派，具体地，可使用Remove Selscted（移除所选）命令将皮层单独提出来，选择圆环外表面为参考方向（顶部元素面为棕色，底部元素面为紫色 )，如图17所示。
然后进一步使用lnvert Display（反相显示）命令切换到芯层，开始对芯层进行堆栈方向指派，芯层指派较为特殊，我们需要先对4个圆弧体逐一进行堆栈方向指派，每一个圆弧体的堆栈参考方向都为其圆弧面，指派完后情况为如图18所示。
最后进行中心长方体的堆栈方向指派，我们一般将其参考方向设为其法线方向，堆栈方向如图19所示。
基于上述操作，完成整体曲面柱体复合材料模型的堆栈方向指派仿真设计，整体堆栈网格剖开效果如图20所示，基于此，曲面柱体复合材料结构的仿真设计操作结束 ，接下来直接应用于进行仿真力学性能的测试和分析工艺即可。
采用本发明实施例的方案，拆分赋予的曲面柱体网格从内到外网格大小是越来越大的如图21所示，直到最外层的网格块弯曲成一个弧面体，如图22所示；能够有效解决做曲面柱体复合材料的仿真分析时的由复合材料方向和铺层问题引起的网格畸变和网格穿透现象。
关于內芯中心切分结构，做复合材料时芯部须是四面体，最好是长方体，目的是对曲面柱体芯部进行单独处理，来解决材料方向（铺层方向）的规定歧义的问题，如图23所示。
由图可知，网格在四面体四个角略有形变，而这个问题可以细化网格或增加中心多面体的边数来使 网格质量满足国家标准GB/T 33582-2017。实际应用时，若材料种类为一种，则可以增加内芯中心端部多边形的边数，相应地构成多面体，例如中心采用五面体，中心五边形整体网格如图24所示，可见网格单元质量得到明显改善；进一步地，若中心采用六面体，中心六边形整体网格如图25所示。需要强调的是，只有材料种类为单一种类时，能够通过增加内芯中心端部多边形的边数，相应地构成多面体；在做复合材料的时候建议采用中心四面体建模。
对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，该方法还可以通过将上述实施例中的某一个或某几个进行结合来得到新的用于曲面柱型复合材料仿真设计方法，以实现对复合材料结构组件的性能测试优化和设计改善。
需要说明的是，基于本发明上述任意一个或多个实施例中的方法，本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可实现如述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码，该代码被操作系统执行时能够实现如上所述的用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法。
实施例二：
上述本发明公开的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置或系统实现，因此基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的其他方面，本发明还提供一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计系统，该系统用于执行上述任意一个或多个实施例中所述的用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法。下面给出具体的实施例进行详细说明。
具体地，图26中示出了本发明实施例中提供的用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计系统的结构示意图，如图26所示，该系统包括。
基础模型构建模块，其配置为根据需求的曲面柱结构参数利用建模系统导入或新建曲面柱体几何模型，结合复合材料的种类对几何模型进行分区处理，作为复合材料基础模型。
坐标方向确定模块，其配置为针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系，基于所述坐标系设定不同分区的材料方向。
材料本构赋予模块，其配置为根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数，结合所述材料本构分布参数和材料方向对模型分区赋予材料本构，进行铺层设置。
网格赋予模块，其配置为基于分区赋予材料本构后的模型，依据模型大小和力学性能测试配置设置匹配的布种参数，对模型整体赋予网格。
堆栈方向指派模块，其配置为针对不同分区设置匹配的参考方向，分别对各分区进行堆栈方向指派，完成曲面柱复合材料仿真模型的铺层设计。
可选的实施例中，所述基础模型构建模块按照下述操作对几何模型进行分区处理：
根据复合材料的种类数对所述曲面柱体几何模型的端面进行均匀环形分区，进而基于环形沿柱体方向实现切分，得到与复合材料种类数匹配的复合材料基础模型。
进一步地，一个实施例中，所述分区铺层设置模块，其配置为通过下述操作针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系：
将复合材料基础模型划分为外环部分和內芯部分；所述外环部分包含一种或多种材料对应的一个或多个环柱结构；
针对每个环柱结构，采用离散材料方向建立对应的坐标系，以纤维方向为R轴，圆周方向为T轴，预设纤维堆叠方向为Z轴；
针对內芯部分，将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分，针对拆分的不同结构分别采用匹配的离散材料方向建立坐标系。
进一步地，一个可选的实施例中，针对內芯部分，将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分的过程包括：
将內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形和围绕在矩形四周的四个圆弧形，则內芯柱体整体沿柱体方向切分为长方体和分布在长方体外围的四个圆弧柱体；
基于內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形的过程中，根据內芯柱体端面圆形或椭圆形的内径，按照设定比例选取设定尺寸作为长和宽，构建中心与圆心重合的矩形。
可选的实施例中，针对內芯柱体的圆弧柱体，采用离散材料方向建立坐标系；
针对內芯柱体的长方体，在原点端以柱体方向为X轴建立局部直角坐标系，将所述局部直角坐标系作为內芯长方体的坐标系。
优选地，一个实施例中，所述材料本构赋予模块的所述力学性能测试配置参数配置为根据当前模型可能参与的性能测试类型和性能测试参数制定，单个模型可以存在一种多或多种力学性能测试配置参数组合，每种力学性能测试配置参数组合适用于一项或多项性能测试实验。
进一步地，一个实施例中，所述材料本构赋予模块配置为按照下述操作根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数：
根据力学性能测试配置参数对相应分区的结构进行进一步位置划分，针对不同的位置设置匹配的材料本构参数，形成当前分区的材料本构分布参数。
进一步地，可选的实施例中，所述网格赋予模块配置为：依据模型大小和力学性能测试配置设置布种参数的过程中，分区不同位置的网格布种参数可以不同。
本发明实施例提供的用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计系统中，各个模块或单元结构可以根据实际参数配置需求和模型仿真切分需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。
说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计方法，其特征在于，所述方法包括：
基础模型构建步骤：根据需求的曲面柱结构参数利用建模系统导入或新建曲面柱体几何模型，结合复合材料的种类对几何模型进行分区处理，作为复合材料基础模型；其中，将复合材料基础模型划分为外环部分和內芯部分；所述外环部分包含一种或多种材料对应的一个或多个环柱结构；
坐标方向确定步骤：针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系，基于所述坐标系设定不同分区的材料方向；
材料本构赋予步骤：根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数，结合所述材料本构分布参数和材料方向对模型分区赋予材料本构，进行铺层设置；
网格赋予步骤：基于分区赋予材料本构后的模型，依据模型大小和力学性能测试配置设置匹配的布种参数，对模型整体赋予网格；
堆栈方向指派步骤：针对不同分区设置匹配的参考方向，结合铺层设置参数分别对各分区进行堆栈方向指派，完成曲面柱复合材料仿真模型的铺层设计；
针对不同材料对应的分区分别建立匹配的坐标系的过程包括：
针对每个环柱结构，采用离散材料方向建立对应的坐标系，以纤维方向为R轴，圆周方向为T轴，预设纤维堆叠方向为Z轴；
针对內芯部分，将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分，针对拆分的不同结构分别采用匹配的离散材料方向建立坐标系；
将內芯柱体结构的端面按照设定规则进行拆分的过程，包括：
将內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形和围绕在矩形四周的四个圆弧形，则內芯柱体整体沿柱体方向切分为长方体和分布在长方体外围的四个圆弧柱体；
基于內芯柱体结构的端面拆分为中心矩形的过程中，根据內芯柱体端面圆形或椭圆形的内径，按照设定比例选取设定尺寸作为长和宽，构建中心与圆心重合的矩形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基础模型构建步骤中，对几何模型进行分区处理的过程包括：
根据复合材料的种类数对所述曲面柱体几何模型的端面进行均匀环形分区，进而基于环形沿柱体方向实现切分，得到与复合材料种类数匹配的复合材料基础模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对內芯柱体的圆弧柱体，采用离散材料方向建立坐标系；
针对內芯柱体的长方体，在原点端以柱体方向为X轴建立局部直角坐标系，将所述局部直角坐标系作为內芯长方体的坐标系。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，材料本构赋予步骤中，所述力学性能测试配置参数由设计人员根据当前模型可能参与的性能测试类型和性能测试参数制定，单个模型存在一种或多种力学性能测试配置参数组合，每种力学性能测试配置参数组合适用于一项或多项性能测试实验。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，材料本构赋予步骤中，根据力学性能测试配置设置不同分区的材料本构分布参数的过程包括：根据力学性能测试配置参数对相应分区的结构进行进一步位置划分，针对不同的位置设置匹配的材料本构参数，形成当前分区的材料本构分布参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，网格赋予步骤中，依据模型大小和力学性能测试配置设置布种参数的过程中，分区不同位置的网格布种参数不同。
7.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有可实现如权利要求1~6中任一项所述方法的程序代码。
8.一种用于曲面柱型复合材料的力学性能仿真设计系统，其特征在于，所述系统执行如权利要求1~6中任意一项所述的方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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