CN117574738B - 直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法、系统及设备，涉及直升机机身结构抗弹研究领域。本发明创新性地利用静力凝聚法并结合辅助结点法高效求解编织复合材料的宏观等效刚度；并提出了基于能量范数的自适应分区方法，定量指导宏细观耦合模型进行合理且高效的区域划分；进一步开发了直升机编织复合材料抗弹性能仿真模型的参数化建模方法，实现了仿真模型的快速自动化建模，通过数值模拟实现了对编织复合材料抗弹性能的有效预测，在满足计算精度的同时显著提升了计算效率，能够为直升机机身结构抗弹性能分析等方面的研究提供技术支持，具有重要的现实意义和应用前景。

Description

直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及直升机机身结构抗弹研究技术领域，特别是涉及一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法、系统及设备。

背景技术

纺织复合材料中的编织复合材料是利用编织技术结合材料的复合成型技术，制成的一种新结构复合材料。制造二维编织复合材料，首先需要将纤维束在平面内按一定角度相互编织在一起，形成预成型构件，再以其作为增强骨架进行浸胶固化而最终成型。对于二维编织复合材料，其层内两个方向均具有较高的强度，面内的力学特性接近于各向同性，大大减小了层间切应力，与传统单向纤维层合复合材料相比，其抗分层能力得到了一定的提高。同时，编织工艺简单，能够实现自动化生产，显著提升了材料的生产效率。编织复合材料所表现出的这些优秀特性，让其在航空航天、弹道防护、汽车制造等诸多领域均得到了广泛的应用。

编织复合材料在抗冲击性能方面具有显著优势，这为制造抵御冲击的结构提供了广泛的应用前景，直升机机身即为编织复合材料在抗冲击方面的一项典型应用，其部分机身结构和旋翼叶片可采用编织复合材料制造，以增强结构强度和降低重量。然而，研究编织复合材料的抗冲击性能是一项复杂的任务，因为这些材料本身具有复杂的细观编织结构，而且在受到冲击载荷时，会涉及多种不同的材料组分以及特殊的应力波影响。因此，采用数值模拟方法来预测编织复合材料的抗冲击性能仍然具有相当大的挑战。

迄今为止，研究人员对编织复合材料的抗弹性能进行数值模拟的方法已经取得了一些进展，但在当前的研究中仍然存在一些未解决的问题，这些问题可以总结为以下两个方面。第一方面为模型尺度的挑战：目前，研究人员在数值模拟中主要采用宏观尺度模型或细观尺度模型；然而，这两种方法各有局限；如果仅使用宏观尺度均匀化模型，计算结果的准确性将会受限；若仅用细观尺度单胞模型，计算效率则较低，特别是在处理大尺寸结构时，计算时间十分漫长。第二方面为多尺度模拟的挑战：尽管一些研究者尝试使用多尺度方法来研究编织复合材料的抗弹性能，但目前仍缺乏客观有效的准则来指导多尺度区域的划分；多尺度模型的不同区域划分方式对模拟结果产生显著影响，这是一个关键性的挑战。

上述挑战突显了在编织复合材料抗弹性能研究中需要继续努力的方向。解决这些问题将有助于更准确地预测编织复合材料的弹击行为，提高计算效率，以及更好地支持这些材料的设计和应用。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法、系统及设备，以实现直升机编织复合材料抗弹过程与破坏形貌的高效精确预测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案。

一方面，本发明提供一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法，包括：基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型；所述编织复合材料中的各组分材料包括纤维束、基体和界面；基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测编织复合材料的宏观等效强度，构造出编织复合材料的宏观尺度均匀化模型；基于细观尺度单胞模型和宏观尺度均匀化模型构造编织复合材料结构的宏细观耦合模型，并采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型；基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型；所述编织复合材料抗弹性能仿真模型包括编织复合材料结构仿真模型和弹体仿真模型；基于编织复合材料抗弹性能仿真模型进行数值模拟，预测编织复合材料结构的抗弹性能。

可选地，所述基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型，具体包括：将编织复合材料中的纤维束看作单向长纤维增强复合材料，采用Chamis模型计算纤维束的等效刚度与强度，并采用三维Hashin准则判断纤维束的拉伸和压缩破坏模式；将编织复合材料中的基体看作是各向同性的，并采用最大应力准则判断其损伤起始；将纤维束和基体之间的界面看作是由零厚度基体材料所构成，并采用基于拉力-分离法则的内聚力模型进行模拟，构造出编织复合材料的细观尺度单胞模型。

可选地，所述基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，具体包括：将待求解的细观尺度单胞模型看作是一个子结构，所述子结构相当于一个具有很多内部自由度的超级单元，利用静力凝聚法将子结构的内部自由度凝聚掉，求解出凝聚后的子结构刚度矩阵和载荷列阵/>；基于凝聚后的子结构刚度矩阵/>和载荷列阵/>，结合辅助结点法求解出编织复合材料的宏观等效刚度/>。

可选地，所述采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型，具体包括：计算完全由宏观尺度均匀化模型构成的宏细观耦合模型中各单元的能量范数；所述各单元/>的能量范数包括单元/>的能量范数/>、单元/>的第/>个相邻单元的能量范数/>以及单元/>的总能量范数/>；基于各单元的能量范数，采用公式/>计算衡量单元/>在冲击过程中的宏观应力应变梯度大小的指标/>；其中/>；max表示取最大值；/>为弹体在冲击过程中直接接触的单元数；将指标/>的单元/>对应区域划分为宏观区域，采用宏观尺度均匀化模型进行建模，将/>的单元/>对应区域划分为细观区域，采用细观尺度单胞模型进行建模，建立出编织复合材料结构的分区多尺度模型。

可选地，所述基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型，具体包括：将模型总长度、模型总宽度、细观区域总长度以及细观区域总宽度作为模型构建关键参数，将各组分材料属性、体积分数、编织物结构以及编织物层数作为编织复合材料关键参数，基于分区多尺度模型进行参数化建模，构建出编织复合材料结构仿真模型；将弹体的半径、长度以及速度作为弹体结构关键参数进行参数化建模，构建出弹体仿真模型。

另一方面，本发明还提供一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟系统，包括：细观尺度单胞模型构造模块，用于基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型；所述编织复合材料中的各组分材料包括纤维束、基体和界面；宏观尺度均匀化模型构造模块，用于基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测编织复合材料的宏观等效强度，构造出编织复合材料的宏观尺度均匀化模型；宏细观耦合模型构造模块，用于基于细观尺度单胞模型和宏观尺度均匀化模型构造编织复合材料结构的宏细观耦合模型，并采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型；参数化建模模块，用于基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型；所述编织复合材料抗弹性能仿真模型包括编织复合材料结构仿真模型和弹体仿真模型；抗弹性能数值模拟模块，用于基于编织复合材料抗弹性能仿真模型进行数值模拟，预测编织复合材料结构的抗弹性能。

再一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法。可选地，所述存储器为非暂态计算机可读存储介质。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果。

本发明提供了一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法、系统及设备，创新性地利用静力凝聚法并结合辅助结点法高效求解编织复合材料的宏观等效刚度；并提出了基于能量范数的自适应分区方法，定量指导宏细观耦合模型进行合理且高效的区域划分；进一步开发了直升机编织复合材料抗弹性能仿真模型的参数化建模方法，实现了仿真模型的快速自动化建模，通过数值模拟实现了对编织复合材料抗弹性能的有效预测，在满足计算精度的同时显著提升了计算效率，能够为直升机机身结构抗弹性能分析等方面的研究提供技术支持，具有重要的现实意义和应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，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为本发明一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法的流程图。

图2为本发明实施例二维二轴1×1编织复合材料几何结构示意图。

图3为本发明实施例编织纤维束界面形状的简化示意图。

图4为本发明实施例细观尺度单胞的周期性边界条件示意图。

图5为本发明实施例细观尺度单胞的有限元模型示意图。

图6为本发明实施例单胞周期性变形的有限元仿真结果示意图。

图7为本发明实施例单胞拉伸与压缩应力应变曲线示意图。

图8为本发明实施例单胞剪切应力应变曲线示意图。

图9为本发明实施例宏细观耦合有限元模型示意图。

图10为本发明实施例指标云图。

图11为本发明实施例1/4模型的局部非对称破坏示意图。

图12为本发明实施例两种模型弹击破坏形式比较示意图。

图13为本发明实施例两种模型下弹体速度变化示意图。

图14为本发明实施例不同层数的编织复合材料板的弹击破坏形式示意图。

图15为本发明实施例弹体侵彻不同层数的编织复合材料板的速度变化示意图。

图16为本发明实施例弹体侵彻不同编织物结构尺度复合材料板的速度变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法、系统及设备，以实现直升机编织复合材料抗弹过程与破坏形貌的高效精确预测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法的流程图。参见图1，一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法，包括步骤1至步骤5。

步骤1：基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型。

所述编织复合材料中的各组分材料包括纤维束、基体和界面。本发明通过考虑编织复合材料中纤维束、基体以及界面等组分材料和真实的编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型（以下也简称单胞），以模拟材料在弹击过程中的局部损伤破坏形式，并用于预测宏观尺度均匀化模型的等效力学性能，等效力学性能包括等效刚度和等效强度。

构建编织复合材料细观尺度下的单胞模型，所述细观尺度单胞模型基于代表性体积单元，包括纤维束、基体和界面三种组分材料的性质，以便反映复合材料细观尺度结构和性能对于弹击过程的影响。具体地，将纤维束（yarns）看成单向长纤维增强复合材料，采用Chamis模型计算纤维束的等效刚度与强度，并采用三维Hashin准则判断纤维束的拉伸和压缩破坏模式。认为基体是各向同性的，采用最大应力准则判断其损伤起始。将纤维束和树脂基体之间的界面看作是由一层厚度非常薄或者零厚度的基体材料所构成，并采用基于拉力-分离法则（Traction-Separation Laws）的内聚力模型（Cohesive Model）进行模拟，构造出编织复合材料的细观尺度单胞模型。所述细观尺度单胞模型通过采用Python语言编写脚本实现在Abaqus中的模型构建，所述细观尺度单胞模型为用于有限元仿真的单胞，可以为步骤2的宏观尺度均匀化模型提供细观结构，也为步骤3的宏细观耦合模型提供单胞。

所述编织复合材料的细观尺度单胞模型通过考虑各组分材料和真实的编织结构，对单胞中包括编织物（通常为纤维束）、基体以及界面在内的各组分材料分别进行建模并确定各自本构方程，以体现复合材料在细观尺度上的非均质特性。其既能通过周期性地排列、堆叠用于建立宏细观耦合模型，以便模拟实际复合材料结构的弹击响应，还能通过施加周期性边界条件用于预测宏观尺度均匀化模型所用的等效力学性能。所述细观尺度单胞模型能够模拟编织复合材料在弹击过程中的局部损伤破坏形式，使仿真结果更加接近真实情况，具有较高的计算精度。

步骤2：基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测编织复合材料的宏观等效强度，构造出编织复合材料的宏观尺度均匀化模型。

宏观尺度均匀化模型是一个具有宏观等效刚度和等效强度的均质化模型，宏观尺度均匀化模型在不同点处的材料参数（等效刚度、等效强度等）处处相等。构建宏观尺度均匀化模型的重点为计算其等效刚度和强度。细观尺度下的单胞模型构建出了编织复合材料的细观结构，基于步骤1中的细观尺度单胞模型，本发明创新性地利用静力凝聚法结合辅助结点法预测宏观尺度均匀化模型的等效刚度，并通过传统的单胞法，提取模型的应力应变曲线，预测宏观尺度均匀化模型的等效强度。预测等效刚度与等效强度就是构建宏观尺度均匀化模型的过程。

本发明采用了一种高效的方法求解等效刚度。具体地，将待求解等效刚度的单胞看作是一个子结构，这个子结构相当于一个具有很多内部自由度的超级单元。把子结构的内部自由度凝聚掉，以此减少系统的总自由度。假定通过适当的结点编号，让子结构的刚度矩阵以及相应的结点位移和载荷列阵可表示成如下分块形式。

（1）。

下标p表示子结构内部结点，简称内点；下标q表示子结构边界面上结点，简称边界点；和/>分别是子结构边界面上结点和内部结点的位移向量；/>表示载荷列阵，则/>和/>分别是子结构边界面上结点和内部结点的载荷列阵；/>表示刚度矩阵，则/>分别代表内部结构与边界的结构刚度矩阵；刚度矩阵/>以及载荷列阵/>也分成与之对应的分块矩阵。

由式（1）的第二式可得（2）。

将式（2）代入式（1）的第一式，得到凝聚后的方程如下。

（3）。

进一步简写成（4）。

其中，有（5）。

此时子结构仅保留边界面上的结点自由度，而全部内部自由度都已凝聚，式（4）中的和/>是凝聚后的子结构刚度矩阵和载荷列阵。在求得边界面自由度/>后，将其代回到子结构内部，即利用式（2）分别求解各内部结点自由度/>。

进一步地，将子结构静力凝聚法与辅助结点方法相结合，高效求解等效刚度。设单胞体积为，引入辅助结点N，并施加周期性边界条件，令辅助结点位移/>等于单胞相对面的位移差。将整个单胞作为一个子结构，利用静力凝聚法求解该子结构的刚度矩阵。将单胞中的三个辅助结点/>作为子结构边界面上结点，则式（1）中的子结构边界面上结点位移即为辅助结点位移/>。

（6）。

其中，表示第/>个辅助结点沿着/>方向的位移，/>。矩阵右上角T表示转置。

根据上述子结构静力凝聚方法，仅保留单胞辅助结点的自由度，把除此之外的全部自由度均看作是内部自由度，并将其凝聚掉，得到式（7）。

（7）。

则和/>分别为单胞子结构经过静力凝聚后的刚度矩阵和载荷列阵，因为与辅助结点法相融合，省去了/>和/>中的下标qq。

根据位移互等定理，凝聚后的子结构刚度矩阵是对称的，可以表示为式（8）。

（8）。

其中表示/>中第/>行第/>列元素。

载荷列阵表示为式（9）。

（9）。

其中，表示第/>个辅助结点沿着/>方向的载荷。

将单胞平均应力和平均应变分别用辅助结点的结点力和位移表示，可得式（10）。

（10）。

其中分别表示细观尺度单胞分别在3个方向上的长度。

将上式（10）的第一项等式两端同除，第二项同除/>，以此类推，转换为式（11）。

（11）。

令，子结构刚度系数/>与编织复合材料等效刚度系数/>之间的关系可表示为式（12）。

（12）。

（13）。

通过有限元计算得到子结构刚度矩阵后，便可计算编织复合材料的等效刚度/>。

这种方法计算等效刚度只需进行一次有限元计算，具有更高的计算效率。结果表明，与传统的单胞法相比，本发明方法计算宏观等效刚度的效率提高了约6倍，尤其在单元数量较多的情况下，可以显著降低计算时间成本，为更有效地处理宏细观耦合分析提供了一种可行且高效的途径。

对单胞中辅助结点施加单向位移载荷并持续增加位移，得到此过程中单胞平均应力-平均应变曲线，平均应力在整个历程中的峰值便是该加载条件下的等效强度。获得单向拉伸、压缩以及纯剪切条件下的等效强度以后，采用Tsai-Wu准则判断复杂应力状态下编织复合材料宏观尺度的损伤起始。

在获得了细观尺度单胞结构的单向拉伸、压缩以及纯剪切条件下的等效强度以后，可以构建宏观尺度均匀化模型，在宏细观耦合模型中也包含该宏观尺度均匀化模型，在对此部分结构进行渐进损伤分析时，采用Tsai-Wu准则判断复杂应力状态下编织复合材料宏观尺度的损伤起始，即判断编织复合材料在某应力状态下是否发生损伤。

在求解出细观尺度单胞模型的等效刚度与等效强度后，用宏观连续介质对复合材料的细观结构进行均匀化近似，即完成宏观尺度均匀化模型的构建，建立的宏观尺度均匀化模型看成是由正交各向异性的均质材料构成。将步骤2获得的宏观等效刚度与宏观等效强度力学性能赋予给宏观尺度均匀化模型，为后续仿真模型整体的构建做铺垫。

基于所述步骤1中编织复合材料的细观尺度单胞模型，传统的单胞法求解刚度需要通过6组加载，即需要进行6次有限元计算，才能最终求得等效刚度矩阵，其过程较为繁琐，计算效率偏低。本发明创新性地利用静力凝聚法并结合辅助结点法，仅需要1次有限元计算，便能获得编织复合材料的等效刚度，大大简化了计算过程，实现了对等效刚度的高效求解；同时基于所述步骤1中的细观尺度单胞模型，将一个单胞作为代表性体积单元（Representative Volume Element，RVE），根据单胞法进行数值计算得到编织复合材料在不同方向上的等效强度，定义材料的损伤起始以及损伤演化过程中的刚度折减，构造出了编织复合材料宏观尺度均匀化模型。

步骤3：基于细观尺度单胞模型和宏观尺度均匀化模型构造编织复合材料结构的宏细观耦合模型，并采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型。

宏细观耦合模型是细观尺度单胞模型与宏观尺度均匀化模型结合后的模型，宏细观耦合模型的中心区域为步骤1中的细观尺度单胞模型部分，在周围区域为步骤2中的宏观尺度均匀化模型。在进行编织复合材料结构（例如编织复合材料板）的具体宏细观耦合模型构建时，采用步骤4中的参数化建模方法，编写Python脚本，在Abaqus软件中完成参数化建模。通过在步骤3中引入的能量范数这一指标，合理地进行宏细观耦合模型中宏细观区域划分，即确定细观区域和宏观区域的具体模型大小。

基于所述步骤1中的细观尺度单胞模型和步骤2的宏观尺度均匀化模型，本发明提出了基于能量范数的自适应分区方法，通过引入能量范数这一客观指标，定量地指导宏细观耦合模型进行合理且高效的区域划分，兼顾计算效率与计算精度。

具体地，本发明提出的基于能量范数的宏细观区域划分方法，基于能量范数的指标，来评估材料在冲击载荷下的应力应变梯度相对大小。具体而言，当某个区域的能量范数标准超过一定阈值时，意味着该区域内的应力应变梯度相对较大，这时不宜采用宏观尺度均匀化模型进行建模。在多个算例中，该方法得到初步验证，可以有效而合理地对宏细观耦合模型进行区域划分。在完全由宏观尺度均匀化模型构成的复合材料结构模型中，单元的能量范数/>定义如下。

（14）。

其中，为模型单元总数；/>为有限元计算得到的单元应力向量；/>为单元柔度矩阵；/>表示单元/>的体积。将单元/>的第/>个相邻单元的能量范数/>定义如下。

（15）。

其中代表单元/>的第/>个相邻单元的体积；/>为单元/>的相邻单元总数。设弹体在冲击过程中直接接触的单元数为/>，则将这个单元的总能量范数/>表示如下。

（16）。

其中表示弹体直接冲击单元中第/>个单元的体积。衡量单元/>在冲击过程中的宏观应力应变梯度大小的指标/>定义如下。

（17）。

其中，（18）。

max表示在冲击的整个时间历程中取最大值，是单元/>的第/>个相邻单元的宏观应力应变梯度大小。宏细观耦合模型中宏细观区域的划分通过指标/>的大小来确定，单元/>能够采用宏观尺度均匀化模型近似的条件是满足/>（19）。

即时，单元/>对应区域为宏观区域，采用宏观尺度均匀化模型进行建模；若，则单元/>对应区域为细观区域，需要采用细观尺度单胞模型进行建模，以得到更为准确的有限元结果。

本发明基于所述步骤1中的细观尺度单胞模型和步骤2的宏观尺度均匀化模型，建立了宏-细观并行计算的多尺度宏细观耦合模型。本发明首次提出了基于能量范数的多尺度模拟自适应分区方法，通过引入能量范数这一客观指标，能够定量地指导多尺度宏细观耦合模型进行合理且高效的区域划分，以构造分区多尺度模型。在冲击过程中，若某一区域内的能量范数梯度远远小于本次冲击的能量范数水平，则可认为该区域内的宏观应力应变是相对均匀的，适合采用宏观尺度均匀化模型进行建模，大幅节约计算成本；反之，若能量范数梯度超过能量范数水平，则采用细观尺度单胞模型周期性堆叠的方式进行建模，模拟材料的各种局部破坏形式，以保证数值模拟精度。

步骤4：基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型。

所述编织复合材料抗弹性能仿真模型包括编织复合材料结构仿真模型和弹体仿真模型。具体地，将模型总长度、模型总宽度、细观区域总长度以及细观区域总宽度等作为模型构建关键参数，将各组分材料属性、体积分数、编织物结构以及编织物层数等作为编织复合材料关键参数，基于分区多尺度模型进行参数化建模，构建出编织复合材料结构仿真模型。进一步地，将弹体的半径、长度以及速度等作为弹体结构关键参数进行参数化建模，构建出弹体仿真模型。

本发明根据所述步骤1、2、3宏细观耦合仿真分析的理论框架，采用参数化建模方法，将组分材料属性（如纤维束、基体、界面）、体积分数、编织物结构、编织物层数、弹体半径、速度等定义为仿真模型关键参数，即可完成编织复合材料抗弹性能仿真模型的构建，实现抗弹性能的高效参数化分析。此处的仿真模型就是子弹冲击编织复合材料结构的有限元仿真模型，模型中包括弹体仿真模型以及编织复合材料结构仿真模型。

本发明采用参数化建模方法，解决了二维二轴正交编织复合材料结构建模复杂的问题。使用Python语言编写脚本在Abaqus中建立参数化的编织复合材料结构的分区多尺度模型，其各组分材料的损伤本构模型均采用Fortran编写用户自定义材料（VUMAT inAbaqus/Explicit）子程序的方式实现。分区多尺度模型既包含宏观尺度均匀化模型又包含细观尺度单胞模型，它们之间的区别是宏观尺度均匀化模型是宏观均匀化的，在不同位置处具有相同的等效刚度与等效强度，计算效率较高；细观尺度单胞模型可以很好的呈现编织复合材料的细观结构，计算精度高，但是效率较低，因此发明通过构建宏细观耦合模型，能够在满足计算精度的同时，显著提升直升机编织复合材料抗弹分析的计算效率。分区多尺度模型中的宏观尺度均匀化模型区域同样采用C3D8R单元划分网格，单元大小与细观尺度单胞模型的大小相一致。

步骤5：基于编织复合材料抗弹性能仿真模型进行数值模拟，预测编织复合材料结构的抗弹性能。

通过对编织复合材料抗弹性能仿真模型行数值模拟，来实现直升机编织复合材料抗弹过程与破坏形貌的高效精确预测，相比于传统方法，能够在保证计算精度的同时显著提升计算效率。本发明高效仿真分析方法可以服务于直升机编织复合材料的抗弹性能研究以及未来的直升机型号研制工作。

下面通过一个具体实施例验证本发明直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法的技术效果，该方法实施例包含如下步骤1）至步骤4）。

步骤1）：通过考虑编织复合材料中纤维束、基体以及界面等组分材料和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型，以模拟材料在弹击过程中的局部损伤破坏形式，并用于预测宏观尺度均匀化模型的等效力学性能。

构建二维二轴1×1编织复合材料的细观尺度单胞模型，其几何结构如图2所示，其中表示编织复合材料结构一列的宽度，/>表示编织复合材料结构一纬的长度，/>为编织角。对于宏观尺度均匀化模型，不再考虑编织复合材料内部复杂的细观编织结构，将其等效为一种均匀且连续的各向异性体。宏观尺度均匀化模型的宏观等效刚度、强度，等价于RVE所对应的均质化等效介质的刚度、强度，通过对单胞施加周期性边界条件进行求解。采用Tsai-Wu准则，来判断编织复合材料在某应力状态下是否发生损伤，对于刚度折减过程，采用Murakami提出的损伤张量来进行描述。细观尺度单胞模型需要考虑各组分材料和真实的编织结构，以体现编织复合材料在细观尺度上的非均质特性。细观尺度的纤维-基体单胞模型基于编织复合材料的RVE，对单胞中包括纤维束、基体以及界面在内的各组分材料分别进行建模，对于纤维束，简化曲面结构为平面，如图3所示，图3中a和b分别表示纤维束截面各部分的长度。采用Chamis总结的易于工程应用的预测公式，来计算纤维束的等效工程弹性常数及拉压剪的强度，三维Hashin准则来判断纤维的拉伸和压缩破坏模式；对于具有各向同性性质的基体材料，本发明采用了最大应力准则来判断其损伤起始；对于界面问题，本发明采用目前相关研究中常用的基于拉力-分离法则（Traction-Separation Laws）的内聚力模型（Cohesive Model）模拟。

步骤2）：基于所述步骤1）中的编织复合材料的细观尺度单胞模型，创新性地利用静力凝聚法并结合辅助结点法高效求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测材料的宏观等效强度，构造编织复合材料的宏观尺度均匀化模型。

采用辅助结点法施加单胞的周期性边界条件。设矩形单胞的棱边矢量分别为、/>和/>，如图4所示，A、B、C、E、F、G、O分别为矩形单胞的不同顶点。/>为在单胞中设置的三个辅助结点，分别用于约束单胞相对边界面上对应结点的位移。为限制刚体位移，需要将O点固定，还要限制辅助结点/>和/>的部分自由度。即可以通过控制三个辅助结点/>的位移/>来对单胞施加周期性边界条件，还能够通过对辅助结点施加结点力/>来施加周期性边界条件。在求解等效刚度时，将周期性单胞看作是一个单独的子结构，这个子结构相当于一个具有很多内部自由度的单元，仅保留边界面上的结点自由度，忽视该子结构的内部自由度，能够减少系统的总自由度。此方法常用于求解大型复杂结构的响应，将大型复杂结构划分为若干个单独结构，可使求解方程的总自由度以及相应的系数矩阵的规模和其中的零元素占比大为减小，从而有效提高计算效率。将其与辅助结点的方法相结合，则可以高效地求解等效刚度。

选取编织结构相对简单的编织角的二维二轴编织复合材料作计算，采用Python语言编写脚本建立参数化的有限元单胞模型，整个单胞模型如图5的（a）部分所示，而图5的（b）部分、（c）部分和（d）部分分别为单胞中各组分材料的有限元模型，例如图5的（b）部分示出了纤维束的有限元模型，图5的（c）部分示出了1/2基体的有限元模型，图5的（d）部分示出了界面的有限元模型。在不同的纤维束之间以及纤维束与基体之间，均插入了一层零厚度的三维内聚力单元用于模拟界面的性质，如图5的（d）部分所示。

分别采用传统单胞法以及静力凝聚法计算等效刚度，在有限元模拟过程中，能够观察到单胞的变形呈明显的周期性，如图6的（a）部分所示，图6中还显示了单胞在受到剪切载荷作用前后的位移场，U，Magnitude表示三个位移矢量合成后的总位移矢量。在受到载荷作用后，由于单胞细观结构的非均质特性，其边界面在发生变形后不再保持平面，但单胞相对边界面的变形是一致的，如图6的（b）部分所示。为了能够清楚地看到单胞的周期性变形，可观察单胞在变形前后的主视图，即图6的（c）部分和（d）部分。首先对有限元单胞模型中的三个辅助结点施予保留结点自由度的边界条件，然后创建生成子结构的分析步，最终生成的子结构便为所需求的忽视结构内部自由度后的单胞。本发明方法计算等效刚度仅需有限元计算一次，与需要6次计算的传统单胞法相比，明显具有更高的效率。

模拟单胞在沿图2中1方向、厚度方向分别承受拉伸、压缩载荷作用下的响应，计算得到单胞中辅助结点的位移和结点力，再根据辅助结点位移和单胞平均应变以及结点力与平均应力之间的关系，获得单胞的平均应力-平均应变曲线，如图7所示。单胞在面内剪切载荷作用下的平均应力-应变曲线如图8所示，平均应力-应变曲线在A点的转折是由于纤维束受剪切作用开始出现横向损伤所引起的；在B点处，剪切引起的损伤扩展到整个纤维束。

步骤3）：基于所述步骤1）中的细观尺度单胞模型和步骤2）的宏观尺度均匀化模型，提出了基于能量范数的自适应分区方法，通过引入能量范数这一客观指标，定量地指导宏细观耦合模型进行合理且高效的区域划分，兼顾计算效率与计算精度。

建立编织复合材料板的宏细观耦合模型，首先需要将编织复合材料板分为两部分，其中一部分采用细观尺度单胞模型通过周期性排布堆叠的方式进行建模，称之为细观区域；而另一部分则采用宏观尺度均匀化模型，称作宏观区域。建立1/4模型以减小有限元计算规模。设1/4板的总长度为个细观尺度单胞宽度/>之和，总宽度为/>个单胞宽度/>之和；宏细观耦合模型中的细观区域长度为/>个单胞宽度/>之和，细观区域宽度为/>个单胞宽度/>之和。为了更方便地描述此大小的宏细观耦合模型，本发明中将其简称为/>宏细观耦合模型，也即/>分区多尺度模型。示意图参见图9的（a）部分，图9的（b）部分则是宏细观耦合模型的局部放大图，其中网格较密且用虚线隔开并用框框出的部分即为一个细观尺度单胞模型，如图9的（c）部分所示。冲击复合材料板的弹体采用平头圆柱体，并将其近似成刚体以提高计算效率。弹体也采用参数化建模，设其半径为/>mm，长度为/>mm，冲击初速度为/>m/s，其初始位置在复合材料板中心上方0.01mm处，如图9所示。编织复合材料各组分密度均取1.52kg/m³，弹体密度设为2.7kg/m³。复合材料板1/4模型的对称面上施以相应的对称边界条件，边界面上采用固支边界条件。对于宏细观耦合模型中细观区域与宏观区域之间的界面，采用绑定约束将其连结在一起。采用通用接触算法实现弹体与复合材料板之间的接触条件，摩擦系数取0.15。

采用0×0-30×30宏细观耦合模型，即完全由宏观尺度均匀化模型构成的宏细观耦合模型对此条件的实施例进行冲击试算，得到指标的云图，如图10所示，ETA表示分区指标/>，Avg是average的缩写，表示平均数。展现出较明显的非对称性，这是由于在该冲击速度下宏观尺度均匀化模型出现了非对称破坏所导致的，模型的局部非对称破坏形式见图11，该图11中破坏单元已被删除。材料发生非对称破坏后，其应力应变分布的对称性也遭到破坏，进而引起能量范数的不对称分布，因此分区指标/>也表现出不对称的特征。根据图10对宏细观耦合模型进行区域划分，将细观区域按矩形划分，则由图中指标/>将板划分成7×12 -30×30宏细观耦合模型，检验采用7×12 -30×30宏细观耦合模型模拟冲击的精度。采用30×30 -30×30细观尺度单胞模型模拟冲击的有限元计算结果作为基准，比较和分析采用7×12 -30×30宏细观耦合模型进行模拟的精确度。首先比较这两种模型在弹体冲击作用下的损伤破坏形式，如图12所示，破坏形式表现为圆孔状，与基准情况一致且破坏的圆孔尺寸也相当，说明该分区多尺度模型能较为准确地模拟材料的局部破坏形式。分析弹体在冲击过程中的速度变化情况，根据有限元模拟结果，分别画出弹体冲击这两种不同模型时的速度-时间曲线，如图13所示，平均相对误差仅为0.06%，最大相对误差也仅有0.23%，计算结果表明采用7×12 -30×30分区多尺度模型模拟冲击时弹体的速度变化曲线能够与基准情况相符合。综合考虑以上有限元计算结果，认为在该实施例条件下选取7×12 -30×30宏细观耦合模型进行数值模拟是合理的。

步骤4）：根据所述步骤1）、2）、3）的理论框架，开发直升机编织复合材料结构抗弹性能的参数化建模方法。通过定义并设置组分材料属性、体积分数、编织物结构、编织物层数、弹体半径、弹速等关键参数，实现仿真模型的快速、自动化建立，服务于编织复合材料结构抗弹性能的高效分析。

参数化建模的程序通过Python语言进行编写，将宏细观耦合模型的总长度、宏细观耦合模型总宽度、细观区域总长度、细观区域总宽度等定义为模型构建的关键参数，如、/>、/>、/>、/>、/>靶板结构参数。弹体结构的关键参数为半径/>、长度/>和冲击初速度/>。在对不同宏细观耦合模型进行构建时，只需更改相应差异区域所对应的参数，其余由Python脚本在软件中自动生成，以此实现抗弹性能的高效分析。依据参数化建模技术，可以通过设置不同的弹体大小、复合材料板层数、编织物结构尺寸以及组分材料性能，实现多个编织复合材料抗弹性能仿真模型的快速自动化建立和抗弹性能的高效分析。具体算例如下：首先，基于参数化建模方法构建层数分别为1和3的编织复合材料板仿真模型，并模拟受弹体冲击过程，有限元模拟结果如图14所示，弹体冲击不同层数编织复合材料过程的速度-时间曲线仿真结果如图15所示。编织复合材料单层板的损伤破坏形式表现为十字形开裂，直接受到弹体冲击区域的材料出现介于圆形与方形之间的破坏。层数为3层的编织复合材料多层板的冲击破坏主要呈圆形，在圆形破坏的附近区域有较轻微的开裂破坏发生。最后，基于参数化建模方法，构建复合材料的编织物结构缩小为原来的1/2以及1/3时的编织复合材料板仿真模型，并预测其抗冲击能力。图16展示了基于参数化建模方法获得的弹体分别在侵彻编织物结构尺度不同的复合材料板过程中的速度变化。

可见本发明利用宏细观耦合分析的优势，既能够考虑材料的局部变形、分层以及损伤破坏，又可以使计算快速进行，并且对于大型结构也能适用。

基于本发明提供的方法，本发明还提供一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟系统，包括：细观尺度单胞模型构造模块，用于基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型；所述编织复合材料中的各组分材料包括纤维束、基体和界面；宏观尺度均匀化模型构造模块，用于基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测编织复合材料的宏观等效强度，构造出编织复合材料的宏观尺度均匀化模型；宏细观耦合模型构造模块，用于基于细观尺度单胞模型和宏观尺度均匀化模型构造编织复合材料结构的宏细观耦合模型，并采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型；参数化建模模块，用于基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型；所述编织复合材料抗弹性能仿真模型包括编织复合材料结构仿真模型和弹体仿真模型；抗弹性能数值模拟模块，用于基于编织复合材料抗弹性能仿真模型进行数值模拟，预测编织复合材料结构的抗弹性能。

进一步地，本发明还提供一种电子设备，该设备可以包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的计算机程序，以执行所述的直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法。

此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个非暂态计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明通过考虑编织复合材料各组分材料和真实编织结构，构造了编织复合材料的细观尺度单胞模型，以模拟材料在弹击过程中的局部损伤破坏；基于细观尺度单胞模型，创新性地利用静力凝聚法并结合辅助结点法高效求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测编织复合材料的宏观等效强度，构造出编织复合材料的宏观尺度均匀化模型；进一步提出了基于能量范数的自适应分区方法，通过引入能量范数这一客观指标，定量指导宏细观耦合模型进行合理且高效的区域划分；最终开发直升机编织复合材料结构抗弹性能的参数化建模方法，实现仿真模型的快速、自动化建立。本发明能够形成一套完整的针对直升机编织复合材料抗弹结构的宏细观耦合高效仿真方法，在满足计算精度的同时显著提升计算效率，以期为直升机编织复合材料抗弹结构的设计与优化提供有效的分析工具，具有重要的现实意义和应用前景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法，其特征在于，包括：

基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型；所述编织复合材料中的各组分材料包括纤维束、基体和界面；

基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测编织复合材料的宏观等效强度，构造出编织复合材料的宏观尺度均匀化模型；

基于细观尺度单胞模型和宏观尺度均匀化模型构造编织复合材料结构的宏细观耦合模型，并采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型；

所述采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型，具体包括：

计算完全由宏观尺度均匀化模型构成的宏细观耦合模型中各单元的能量范数；所述各单元/>的能量范数包括单元/>的能量范数/>、单元/>的第/>个相邻单元的能量范数/>以及单元/>的总能量范数/>；

基于各单元的能量范数，采用公式计算衡量单元/>在冲击过程中的宏观应力应变梯度大小的指标/>；其中/>；max表示取最大值；/>为弹体在冲击过程中直接接触的单元数；

将指标的单元/>对应区域划分为宏观区域，采用宏观尺度均匀化模型进行建模，将/>的单元/>对应区域划分为细观区域，采用细观尺度单胞模型进行建模，建立出编织复合材料结构的分区多尺度模型；

基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型；所述编织复合材料抗弹性能仿真模型包括编织复合材料结构仿真模型和弹体仿真模型；

基于编织复合材料抗弹性能仿真模型进行数值模拟，预测编织复合材料结构的抗弹性能。

2.根据权利要求1所述的直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法，其特征在于，所述基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型，具体包括：

将编织复合材料中的纤维束看作单向长纤维增强复合材料，采用Chamis模型计算纤维束的等效刚度与强度，并采用三维Hashin准则判断纤维束的拉伸和压缩破坏模式；将编织复合材料中的基体看作是各向同性的，并采用最大应力准则判断其损伤起始；将纤维束和基体之间的界面看作是由零厚度基体材料所构成，并采用基于拉力-分离法则的内聚力模型进行模拟，构造出编织复合材料的细观尺度单胞模型。

3.根据权利要求2所述的直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法，其特征在于，所述基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，具体包括：

将待求解的细观尺度单胞模型看作是一个子结构，所述子结构相当于一个具有很多内部自由度的超级单元，利用静力凝聚法将子结构的内部自由度凝聚掉，求解出凝聚后的子结构刚度矩阵和载荷列阵/>；

基于凝聚后的子结构刚度矩阵和载荷列阵/>，结合辅助结点法求解出编织复合材料的宏观等效刚度/>。

4.根据权利要求3所述的直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法，其特征在于，所述基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型，具体包括：

将模型总长度、模型总宽度、细观区域总长度以及细观区域总宽度作为模型构建关键参数，将各组分材料属性、体积分数、编织物结构以及编织物层数作为编织复合材料关键参数，基于分区多尺度模型进行参数化建模，构建出编织复合材料结构仿真模型；

将弹体的半径、长度以及速度作为弹体结构关键参数进行参数化建模，构建出弹体仿真模型。

5.一种直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟系统，其特征在于，包括：

细观尺度单胞模型构造模块，用于基于编织复合材料中的各组分材料性质和真实编织结构，构造编织复合材料的细观尺度单胞模型；所述编织复合材料中的各组分材料包括纤维束、基体和界面；

宏观尺度均匀化模型构造模块，用于基于细观尺度单胞模型，利用静力凝聚法结合辅助结点法求解编织复合材料的宏观等效刚度，并通过单胞法预测编织复合材料的宏观等效强度，构造出编织复合材料的宏观尺度均匀化模型；

宏细观耦合模型构造模块，用于基于细观尺度单胞模型和宏观尺度均匀化模型构造编织复合材料结构的宏细观耦合模型，并采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型；

所述采用基于能量范数的自适应分区方法对宏细观耦合模型进行区域划分，建立编织复合材料结构的分区多尺度模型，具体包括：

计算完全由宏观尺度均匀化模型构成的宏细观耦合模型中各单元的能量范数；所述各单元/>的能量范数包括单元/>的能量范数/>、单元/>的第/>个相邻单元的能量范数/>以及单元/>的总能量范数/>；

基于各单元的能量范数，采用公式计算衡量单元/>在冲击过程中的宏观应力应变梯度大小的指标/>；其中/>；max表示取最大值；/>为弹体在冲击过程中直接接触的单元数；

将指标的单元/>对应区域划分为宏观区域，采用宏观尺度均匀化模型进行建模，将/>的单元/>对应区域划分为细观区域，采用细观尺度单胞模型进行建模，建立出编织复合材料结构的分区多尺度模型；

参数化建模模块，用于基于分区多尺度模型进行参数化建模，建立编织复合材料抗弹性能仿真模型；所述编织复合材料抗弹性能仿真模型包括编织复合材料结构仿真模型和弹体仿真模型；

抗弹性能数值模拟模块，用于基于编织复合材料抗弹性能仿真模型进行数值模拟，预测编织复合材料结构的抗弹性能。

6.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4中任一项所述的直升机编织复合材料抗弹性能数值模拟方法。

7.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述存储器为非暂态计算机可读存储介质。