CN116911059B - 一种3d机织复合材料参数化建模的方法及装置 - Google Patents

一种3d机织复合材料参数化建模的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建模分析技术领域，具体涉及一种3D机织复合材料参数化建模的方法及装置，为解决传统单胞孔隙建模方法与实际材料结构不相符合的技术问题。该方法包括选择模型的inp原文件，指定模型的孔隙率和“结壳”的厚度，对生成的inp文件进行命名；对inp文件修改；获取节点字典数据；获取单元字典数据；获取所有纤维束单元的集合；筛选所有非纤维束单元编号；提取所有单元在存储单元信息的字典中对应的值；选出单元节点，判断n个单元的孔隙率是否满足要求；若满足，生成新的inp文件，同时在截面属性部分新建立了对孔隙单元集合进行截面属性描述的数据块；从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，实现参数化建模。

Description

一种3D机织复合材料参数化建模的方法及装置
技术领域
本发明涉及建模分析技术领域，尤其涉及一种3D机织复合材料参数化建模的方法及装置。
背景技术
3D机织复合材料是一种新兴的高性能材料，由于其优异的力学性能和轻质化特性在航空、航天、汽车、运动器材等领域得到了广泛应用。然而，对于3D机织复合材料的建模和分析仍然存在困难，在以往对孔隙率的研究中，研究者大多采用基于均匀化理论的方法将基体的刚度和强度进行折减，从而将孔隙考虑进整个结构中。
随着有限元法的发展以及计算机计算能力的不断提升，许多研究人员开始把孔隙直接建立在有限元模型中，并施加周期性边界条件，通过对平均应力和平均应变进行计算得到材料宏观有效性能，此方法可以实现对基体中孔隙出现位置的随机分布进行模拟。但是这种方法无法准确模拟出机织复合材料使用化学气相渗透法基体致密化过程中产生的孔隙。
化学气相渗透法是机织复合材料基体致密化的主要方法。然而，当预制体表面的孔隙都被封堵时，产生“结壳”现象，使致密化过程无法继续，而在预制体内部留有大量的残余孔隙。
进而导致传统建模方法与实际材料结构不相符合的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种3D机织复合材料参数化建模的方法及装置，以解决传统建模方法与实际材料结构不相符合的技术问题。
基于上述目的，本发明提供了一种3D机织复合材料参数化建模的方法，包括
步骤1，选择织物模型的inp原文件，指定模型的孔隙率和织物表面“结壳”的厚度，对生成含孔隙模型的inp文件进行命名，inp文件中的PART模块包括节点信息、单元信息、单元集合信息和截面属性信息；
步骤2，对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放；
步骤3，获取节点字典数据；
步骤4，获取单元字典数据；
步骤5，通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合；
步骤6，获取厚度方向的最大坐标值和最小坐标值，遍历非纤维束单元集合的列表，按输入的“结壳”厚度筛选得到距离厚度上下表面小于输入的“结壳”厚度的所有非纤维束单元编号，并放入基体单元编号列表中，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号；
步骤7，从纤维束单元集合中提取所有单元在存储单元信息的字典中对应的值，并将其节点编号进行筛选得到纤维束表面的节点编号并将其放入代表孔壁的节点编号列表中；
步骤8，遍历非纤维束单元的列表，选出单元节点在代表孔壁的节点编号列表中的单元，随后根据所有选出的基体单元创建新的代表孔壁的节点编号列表，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号，重复本步骤，且将n个单元放入基体单元列表中时判断其孔隙率是否满足要求，若满足则进入步骤9；
步骤9，在python脚本中定义基于以上信息生成新的inp文件，其和原inp文件的区别在于单元集合部分的非纤维束集合中的部分单元编号移至新建立的孔隙集合，同时在截面属性部分新建立了对孔隙单元集合进行截面属性描述的数据块；从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，实现参数化建模。
作为本申请的进一步改进，所述对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放，包括
通过对inp文件中的PART模块进行操作，实现对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放。
作为本申请的进一步改进，所述获取节点字典数据，包括编写python脚本读取inp文件中的节点信息，并创建一个以节点编号为键，以由该节点坐标组成的列表为值的节点字典数据。
作为本申请的进一步改进，所述获取单元字典数据，包括编写python脚本读取inp文件中的单元信息，并创建一个以单元编号为键，以组成该单元的节点编号的列表为值的单元字典数据。
作为本申请的进一步改进，所述通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合，包括编写python脚本读取inp文件中的非纤维束单元集合，并将集合中的所有单元编号导入列表进行存储，并将所有纤维束单元通过对非纤维束单元进行反选得到存储所有纤维束单元的集合。
作为本申请的进一步改进，所述获取厚度方向的最大坐标值和最小坐标值，包括在python脚本中通过inp文件的节点信息得到厚度方向的最大坐标值和最小坐标值。
作为本申请的进一步改进，该方法最终均在python脚本中实现，从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，所述python脚本的运行在ABAQUS中实现。
一种3D机织复合材料参数化建模的装置，所述装置包括
生成单元，用于选择织物模型的inp原文件，指定模型的孔隙率和织物表面“结壳”的厚度，对生成含孔隙模型的inp文件进行命名；
投放单元，用于对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放；
节点字典获取单元，用于获取节点字典数据；
单元字典获取单元，用于获取单元字典数据；
纤维束获取单元，用于通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合；
遍历单元，用于获取厚度方向的最大坐标值和最小坐标值，遍历非纤维束单元集合的列表，按输入的“结壳”厚度筛选得到距离厚度上下表面小于输入的“结壳”厚度的所有非纤维束单元编号，并放入基体单元编号列表中，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号；
筛选单元，用于从纤维束单元集合中提取所有单元在存储单元信息的字典中对应的值，并将其节点编号进行筛选得到纤维束表面的节点编号并将其放入代表孔壁的节点编号列表中；
判断单元，用于遍历非纤维束单元的列表，选出单元节点在代表孔壁的节点编号列表中的单元，随后根据所有选出的基体单元创建新的代表孔壁的节点编号列表，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号，重复本步骤，且将n个单元放入基体单元列表中时判断其孔隙率是否满足要求，若满足则进入判断建模单元；
判断建模单元，用于判断以上条件均满足，则在python脚本中定义基于以上信息生成新的inp文件，其和原inp文件的区别在于单元集合部分的非纤维束集合中的部分单元编号移至新建立的孔隙集合，同时在截面属性部分新建立了对孔隙单元集合进行截面属性描述的数据块；从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，实现参数化建模。
本发明的有益效果：通过本身的一种3D机织复合材料参数化建模的方法取得以下有益效果：
可以快速、准确地生成模型结构更接近实际结构的3D机织复合材料模型；
建立了孔隙率可灵活调整的3D机织机织复合材料参数化建模方法；
生成的孔隙受“结壳”厚度和孔隙率的影响，通过调整这两个值可以获得近似实际的孔隙位置和大小。
可以准确地模拟由化学气相渗透法在基体中产生的孔隙，并且孔隙率可灵活调整，从而快速生成含不同孔隙率的材料模型，提高了建模的效率，并且模型结构更接近实际结构。此外，参数化孔隙的建模方法还可以与有限元分析技术相结合，通过建立含不同孔隙率的3D机织机织复合材料的有限元模型来分析其力学性能，这种方法不仅可以预测材料的强度和刚度等力学性能，还可以提高设计的效率和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例3D机织复合材料参数化建模示意图；
图2为本发明实施例为inp文件的结构组成示意图；
图3为本发明实施例inp文件中PART模块的组成示意图；
图4为本发明实施例参数化建模模型与实际试验件截面扫描对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1-4所示，一种3D机织复合材料参数化建模的方法，包括
步骤1，基于Python对ABAQUS提交的inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放。选择织物模型的inp原文件，指定模型的孔隙率和织物表面“结壳”的厚度，对生成含孔隙模型的inp文件进行命名，inp文件中的PART模块包括节点信息、单元信息、单元集合信息和截面属性信息；
inp文件可以更方便地修改模型参数，控制分析过程，还可以完成一些ABAQUS/CAE所不支持地功能。inp文件由一系列的数据块构成，每个数据块描述模型的某部分特定信息。一个数据块总是以带有*号的关键词(keyword)开始，其后往往带有相应的参数，以及一个或多个数据行(data line)。inp文件的结构组成如图2所示，实现孔隙单元的随机投放只需对inp文件中的PART模块进行操作。
本发明涉及的inp文件中的PART模块主要由节点信息、单元信息、单元集合信息和截面属性信息，其文本的数据结构如图3所示。
步骤2，通过对inp文件中的PART模块进行操作，实现对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放。
步骤3，获取节点字典数据；
编写python脚本读取inp文件中的节点信息，并创建一个以节点编号为键，以由该节点坐标组成的列表为值的字典数据。
步骤4，获取单元字典数据；
编写python脚本读取inp文件中的单元信息，并创建一个以单元编号为键，以组成该单元的节点编号的列表为值的字典数据。
步骤5，通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合；编写python脚本读取inp文件中的非纤维束单元集合，并将集合中的所有单元编号导入列表进行存储，并将所有纤维束单元通过对非纤维束单元进行反选得到存储所有纤维束单元的集合。
步骤6，在python脚本中通过inp文件的节点信息得到厚度方向的最大坐标值和最小坐标值。遍历非纤维束单元集合的列表，按输入的“结壳”厚度筛选得到距离厚度上下表面小于输入的“结壳”厚度的所有非纤维束单元编号，并放入基体单元编号列表中，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号。
步骤7，从纤维束单元集合中提取所有单元在存储单元信息的字典中对应的值，并将其节点编号进行筛选得到纤维束表面的节点编号并将其放入代表孔壁的节点编号列表中。
步骤8，遍历非纤维束单元的列表，选出单元节点在代表孔壁的节点编号列表中的单元，随后根据所有选出的基体单元创建新的代表孔壁的节点编号列表，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号，重复本步骤，且将n个单元放入基体单元列表中时判断其孔隙率是否满足要求，若满足则进入步骤9。
步骤9，在python脚本中定义基于以上信息生成新的inp文件，其和原inp文件的区别在于单元集合部分的非纤维束集合中的部分单元编号移至新建立的孔隙集合，同时在截面属性部分新建立了对孔隙单元集合进行截面属性描述的数据块；从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，实现参数化建模。
上述所述的方法最终均在python脚本中实现，从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，python脚本的运行在ABAQUS中实现。在最终的脚本文件中，只需输入不同的孔隙率和孔洞大小等参数既可生成所需的参数化模型，改变相应的参数，模型也会发生对应的改变。
该方法最终均在python脚本中实现，从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，所述python脚本的运行在ABAQUS中实现。
一种3D机织复合材料参数化建模的装置，所述装置包括
生成单元，用于选择织物模型的inp原文件，指定模型的孔隙率和织物表面“结壳”的厚度，对生成含孔隙模型的inp文件进行命名；
投放单元，用于对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放；
节点字典获取单元，用于获取节点字典数据；
单元字典获取单元，用于获取单元字典数据；
纤维束获取单元，用于通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合；
遍历单元，用于获取厚度方向的最大坐标值和最小坐标值，遍历非纤维束单元集合的列表，按输入的“结壳”厚度筛选得到距离厚度上下表面小于输入的“结壳”厚度的所有非纤维束单元编号，并放入基体单元编号列表中，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号；
筛选单元，用于从纤维束单元集合中提取所有单元在存储单元信息的字典中对应的值，并将其节点编号进行筛选得到纤维束表面的节点编号并将其放入代表孔壁的节点编号列表中；
判断单元，用于遍历非纤维束单元的列表，选出单元节点在代表孔壁的节点编号列表中的单元，随后根据所有选出的基体单元创建新的代表孔壁的节点编号列表，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号，重复本步骤，且将n个单元放入基体单元列表中时判断其孔隙率是否满足要求，若满足则进入判断建模单元；
判断建模单元，用于判断以上条件均满足，则在python脚本中定义基于以上信息生成新的inp文件，其和原inp文件的区别在于单元集合部分的非纤维束集合中的部分单元编号移至新建立的孔隙集合，同时在截面属性部分新建立了对孔隙单元集合进行截面属性描述的数据块；从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，实现参数化建模。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (8)

1.一种3D机织复合材料参数化建模的方法，其特征在于，包括
步骤1，选择织物模型的inp原文件，指定模型的孔隙率和织物表面“结壳”的厚度，对生成含孔隙模型的inp文件进行命名，inp文件中的PART模块包括节点信息、单元信息、单元集合信息和截面属性信息；
步骤2，对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放；
步骤3，获取节点字典数据；
步骤4，获取单元字典数据；
步骤5，通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合；
步骤6，获取厚度方向的最大坐标值和最小坐标值，遍历非纤维束单元集合的列表，按输入的“结壳”厚度筛选得到距离厚度上下表面小于输入的“结壳”厚度的所有非纤维束单元编号，并放入基体单元编号列表中，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号；
步骤7，从纤维束单元集合中提取所有单元在存储单元信息的字典中对应的值，并将其节点编号进行筛选得到纤维束表面的节点编号并将其放入代表孔壁的节点编号列表中；
步骤8，遍历非纤维束单元的列表，选出单元节点在代表孔壁的节点编号列表中的单元，随后根据所有选出的基体单元创建新的代表孔壁的节点编号列表，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号，重复本步骤，且将n个单元放入基体单元列表中时判断其孔隙率是否满足要求，若满足则进入步骤9；
步骤9，在python脚本中定义基于以上信息生成新的inp文件，其和原inp文件的区别在于单元集合部分的非纤维束集合中的部分单元编号移至新建立的孔隙集合，同时在截面属性部分新建立了对孔隙单元集合进行截面属性描述的数据块；从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，实现参数化建模。
2.根据权利要求1所述的3D机织复合材料参数化建模的方法，其特征在于，所述对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放，包括
通过对inp文件中的PART模块进行操作，实现对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放。
3.根据权利要求1所述的3D机织复合材料参数化建模的方法，其特征在于，所述获取节点字典数据，包括编写python脚本读取inp文件中的节点信息，并创建一个以节点编号为键，以由该节点坐标组成的列表为值的节点字典数据。
4.根据权利要求1所述的3D机织复合材料参数化建模的方法，其特征在于，所述获取单元字典数据，包括编写python脚本读取inp文件中的单元信息，并创建一个以单元编号为键，以组成该单元的节点编号的列表为值的单元字典数据。
5.根据权利要求1所述的3D机织复合材料参数化建模的方法，其特征在于，所述通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合，包括编写python脚本读取inp文件中的非纤维束单元集合，并将集合中的所有单元编号导入列表进行存储，并将所有纤维束单元通过对非纤维束单元进行反选得到存储所有纤维束单元的集合。
6.根据权利要求1所述的3D机织复合材料参数化建模的方法，其特征在于，所述获取厚度方向的最大坐标值和最小坐标值，包括在python脚本中通过inp文件的节点信息得到厚度方向的最大坐标值和最小坐标值。
7.根据权利要求1-6任意一下所述的3D机织复合材料参数化建模的方法，其特征在于，该方法最终均在python脚本中实现，从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，所述python脚本的运行在ABAQUS中实现。
8.一种3D机织复合材料参数化建模的装置，其特征在于，所述装置包括
生成单元，用于选择织物模型的inp原文件，指定模型的孔隙率和织物表面“结壳”的厚度，对生成含孔隙模型的inp文件进行命名；
投放单元，用于对inp文件直接进行修改来实现孔隙的随机投放；
节点字典获取单元，用于获取节点字典数据；
单元字典获取单元，用于获取单元字典数据；
纤维束获取单元，用于通过对非纤维束单元进行反选获取所有纤维束单元的集合；
遍历单元，用于获取厚度方向的最大坐标值和最小坐标值，遍历非纤维束单元集合的列表，按输入的“结壳”厚度筛选得到距离厚度上下表面小于输入的“结壳”厚度的所有非纤维束单元编号，并放入基体单元编号列表中，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号；
筛选单元，用于从纤维束单元集合中提取所有单元在存储单元信息的字典中对应的值，并将其节点编号进行筛选得到纤维束表面的节点编号并将其放入代表孔壁的节点编号列表中；
判断单元，用于遍历非纤维束单元的列表，选出单元节点在代表孔壁的节点编号列表中的单元，随后根据所有选出的基体单元创建新的代表孔壁的节点编号列表，同时在非纤维束单元集合的列表中删去这些单元编号，重复本步骤，且将n个单元放入基体单元列表中时判断其孔隙率是否满足要求，若满足则进入判断建模单元；
判断建模单元，用于判断以上条件均满足，则在python脚本中定义基于以上信息生成新的inp文件，其和原inp文件的区别在于单元集合部分的非纤维束集合中的部分单元编号移至新建立的孔隙集合，同时在截面属性部分新建立了对孔隙单元集合进行截面属性描述的数据块；从而建立完整的参数化孔隙建模步骤，实现参数化建模。
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