CN117725708B - 基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法。方法包括：基于预先构建的软膜‑复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状；正应力为利用软膜生成复合材料网格结构时，软膜与复合材料网格结构之间的垂直挤压力；预先确定利用软膜生成复合材料网格结构时，软膜和复合材料网格结构之间的剪切层；将剪切层施加在复合材料网格结构筋条的初始截面上，得到挤压‑剪切作用耦合分析模型；对挤压‑剪切作用耦合分析模型进行求解，得到复合材料网格结构筋条的最终截面形状。本申请，收敛性好，可以准确计算复合材料筋条的截面尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法。
背景技术
在利用软膜结构生成复合材料时，软模和复合材料网格结构之间会产生挤压-剪切作用，两种作用共同影响复合材料网格结构的筋条截面形状。
现有技术中，在利用有限元模型计算复合材料网格结构的筋条截面形状时，通常只考虑软膜和复合材料之间的挤压作用，或者只考虑挤压作用和摩擦力的影响，收敛性差，且不能全面考虑挤压-剪切作用，不能准确模拟复合材料网格结构的筋条截面形状。
因此，目前亟待需要一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法来解决上述技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法，收敛性好，可以准确计算复合材料筋条的截面尺寸。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法，包括：
基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状；所述正应力为利用软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜与所述复合材料网格结构之间的垂直挤压力；
预先确定利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜和所述复合材料网格结构之间的剪切层；
将所述剪切层施加在所述复合材料网格结构筋条的初始截面上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型；
对所述挤压-剪切作用耦合分析模型进行求解，得到所述复合材料网格结构筋条的最终截面形状。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置，包括：
计算单元，用于基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状；所述正应力为利用软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜与所述复合材料网格结构之间的垂直挤压力；
剪切层确定单元，用于预先确定利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜和所述复合材料网格结构之间的剪切层；
耦合分析单元，用于将所述剪切层施加在所述复合材料网格结构筋条的初始截面上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型；
求解单元，用于对所述挤压-剪切作用耦合分析模型进行求解，得到所述复合材料网格结构筋条的最终截面形状。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本说明书任一实施例所述的方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行本说明书任一实施例所述的方法。
本发明实施例提供了一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法。首先构建软膜-复合材料有限元模型，在软模与复合材料网格结构的接触分析中，仅考虑正应力的影响，忽略剪切力的影响，可以提高分析效率。接触分析结束后，将预先确定的剪切层施加在复合材料网格结构筋条的初始截面上，即将包含摩擦力和粘性力等多种相互作用的作用力以剪切层的形式施加在复合材料上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型。最后对该耦合分析模型进行求解，可以获得复合材料筋条的正确截面尺寸。由此可见，本申请可以提高接触算法的收敛性，降低计算时长，并准确计算复合材料筋条的截面尺寸。
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是本发明一实施例提供的基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种电子设备的硬件架构图；
图3是本发明一实施例提供的一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置的结构图；
图4是本发明一实施例提供的预先构建的软膜-复合材料有限元模型的结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的将剪切层施加在复合材料网格结构筋条的初始截面上的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的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。
如前所述，相关技术均不能全面考虑挤压-剪切作用。目前，在分析复合材料网格结构的筋条截面形状时，主要有如下两种方式：
第一种，完全不考虑软模-复合材料网格结构之间的剪切作用。该方法忽略了剪切作用，计算精度较低，不能准确计算复合材料筋条的截面尺寸。
第二种，基于罚函数等，在复杂接触作用中仅考虑软膜-复合材料结构件的摩擦力。该方法有两种缺陷：1）软模和复合材料之间不仅有正应力，也有剪切力传递。该剪切力会使得复合材料筋条截面尺寸分析过程中的接触算法收敛性严重下降，计算时长增加显著。2）软膜-复合材料之间接触作用复杂，在整个相互作用期间，包括初期的软模-粘流态树脂作用，软模-碳纤维摩擦力，以及相互作用后期包含的树脂固化后的软模-复合材料之间的粘结力。而采用罚函数仅能对软模-复合材料之间的摩擦力进行拟合，而不能考虑粘结力，因此，其分析复杂的接触问题的精度难以保证。
基于上述问题，发明人提出可以先计算正应力的影响，再考虑剪切层的影响，从而解决现有方法收敛困难，筋条截面尺寸计算不准确的问题。
请参考图1，本发明实施例提供了一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法，该方法包括：
步骤100，基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状；所述正应力为利用软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜与所述复合材料网格结构之间的垂直挤压力；
步骤102，预先确定利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜和所述复合材料网格结构之间的剪切层；
步骤104，将所述剪切层施加在所述复合材料网格结构筋条的初始截面上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型；
步骤106，对所述挤压-剪切作用耦合分析模型进行求解，得到所述复合材料网格结构筋条的最终截面形状。
在该实施例中，首先构建软膜-复合材料有限元模型，在软模与复合材料网格结构的接触分析中，仅考虑正应力的影响，忽略剪切力的影响，可以提高分析效率。接触分析结束后，将预先确定的剪切层施加在复合材料网格结构筋条的初始截面上，即将包含摩擦力和粘性力等多种相互作用的作用力以剪切层的形式施加在复合材料上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型。最后对该耦合分析模型进行求解，可以获得复合材料筋条的正确截面尺寸。由此可见，本申请可以提高接触算法的收敛性，降低计算时长，并准确计算复合材料筋条的截面尺寸。
下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。
首先，针对步骤100，基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状。
通过构建软膜-复合材料有限元模型，可以求解正应力对复合材料固化成型的影响。如图4所示，软膜-复合材料有限元模型是基于软膜材料本构模型、等效材料和复合材料本构模型构建的。其中，所述等效材料用于模拟利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时所需的工艺间隙。
当然，在构建软膜-复合材料有限元模型时，还需要定义各种边界条件、软模性能参数、软模材料本构参数、复合材料性能参数时变特性模型、复合材料本构参数、金属底膜材料参数等。当然，用户也可以根据实际需要定义更多或更少的参数，本申请并不以此为限。
在一些实施方式中，软膜材料本构模型的具体公式为：
式中，W为应变能密度函数；I 1、I 2和I 3分别为软模材料的张量不变量；C ij与K i分别为软模材料的性能参数，MPa；N为本构模型阶数；i、j分别为正整数。
在一些实施方式中，复合材料本构模型为三维各向异性粘弹性本构模型，复合材料本构模型的具体公式为：
式中，为t时刻复合材料的应力分量；/>为t时刻复合材料的完全松弛刚度矩阵，即储能模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的黏性刚度矩阵，即由耗散模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的固化度；T t为t时刻复合材料的温度；W m为第m支Maxwell单元的权重系数；/>为复合材料的机械应变；/>为第m支Maxwell单元的松弛时间；/>为t时刻等效时间；/>为当前等效时间；i、j分别为正整数。
此外，发明人在研究中发现：在利用软膜结构生成复合材料时，由于软膜在固化过程中变形较大，因此，需要在软膜和复合材料之间预留工艺间隙。现有仿真方法在分析软膜-复合材料网格结构的相互作用时，由于工艺间隙的存在，软模与复合材料在固化过程刚开始的阶段并不接触，进而导致软模-复合材料之间的相互作用计算复杂。且随着固化的进行，几何结构的突然接触，会导致计算过程严重不连续迭代，计算效率严重下降，甚至不收敛。
而本申请在构建软膜-复合材料有限元模型时，采用等效材料代替工艺间隙，可以将固化过程中的几何不连续问题转化为材料的非线性问题，提高计算效率。具体分析如下：
在一些实施方式中，所述等效材料的参数包括材料厚度、弹性模量和热膨胀系数；
在基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，还包括：
基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数。
在一些实施方式中，所述基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数，包括：
步骤A1，将所述等效材料划分为多个子区域，并给定每个所述子区域一个初始厚度、初始弹性模量和初始热膨胀系数；
步骤A2，确定所述软膜-复合材料有限元模型的增量步；
步骤A3，在利用所述软膜-复合材料有限元模型计算所述复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，每增加一个增量步，均对每个所述子区域执行如下操作：
获取该子区域的当前应变，并判断该当前应变是否大于预设的应变阈值；若是，则将该子区域中等效材料的弹性模量更新为所述软膜的弹性模量，以及将该子区域中等效材料的热膨胀系数更新为所述软膜的热膨胀系数；若否，则不更新。
下面具体分析步骤A1~A3的实现过程：
首先，针对步骤A1，子区域的个数越多，计算精度越高，但计算量也越大。反之，计算精度下降，计算速度提升。因此，本申请不对子区域的个数做具体限定。
在一些实施方式中，等效材料的初始厚度大于所述工艺间隙。具体原因为：
由于等效材料需要模拟工艺间隙从初始状态被压缩至消失的过程，若等效材料的初始厚度等于或小于工艺间隙，则在有限元分析过程中，会出现等效材料厚度被压缩至0的情况，导致等效材料的单元矩阵奇异无法求解。因此，需要保证等效材料的初始厚度大于工艺间隙，保证在有限元分析过程中，等效材料的厚度不被压缩至0，保证有限元分析过程的有效求解。
当然，等效材料的初始厚度也不能过大，否则会侵占部分软模材料的空间，因此，为了减少等效材对硅胶软模的影响，等效材料初始厚度不宜过厚。
在一些实施方式中，等效材料的初始厚度是通过如下公式计算得到的：
式中，为等效材料的初始厚度；/>为所述工艺间隙，/>为预设的应变阈值。
采用上述公式计算等效材料的初始厚度，既不会出现等效材料的厚度被压缩至0的情况，还可以保证等效材料的厚度不会过于大，占用较小的软膜空间，保证有限元分析的正常求解。
另外，应变阈值的含义为等效材料在受压工况下，等效材料性能转变的临界应变值的绝对值，应变阈值为无量纲参数，取值范围为0＜k＜1，结合有限元分析特性，k值优选0.8~0.9中的任意值。
在一些实施方式中，初始弹性模量小于所述软膜的弹性模量，优选软膜弹性模量的千分之一。此外，等效材料的初始热膨胀系数优选为零。
上述设置方式的好处为：在固化初期，软膜和复合材料是基本不接触的，所以设置一种性能较弱的材料，弱到等效材料与软膜和复合材料之间的相互作用力可以忽略不计，这是符合实际固化过程的。当然，用户也可以根据需要自主设定等效材料的初始参数，本申请不做具体限定。
然后，针对步骤A2，确定所述软膜-复合材料有限元模型的增量步。该增量步不能大于增量步阈值。
本申请提供的软膜-复合材料有限元模型需要及时捕捉等效材料的性能变化点，因此增量步不能过大。过大的增量步会使得有限元分析步无法及时捕捉到等效材料性能变化点；同时，增量步过小会导致计算迭代次数过高，整体计算时长过长的问题。
为保证有限元分析步可以捕捉到等效材料性能变化点的同时尽量减少迭代次数，本申请通过如下公式确定增量步阈值：
式中，为所述增量步阈值；/>为增量步系数，优选10；/>为所述工艺间隙；/>为所述目标软模的边缘到中心点的平均距离；/>为所述软膜的热膨胀系数；/>为所述复合材料的厚度；/>为所述复合材料2方向的热膨胀系数；/>为所述复合材料的玻璃态转化温度与室温的温差。
确定出增量步阈值后，只要在该范围内选择增量步，就可以准确捕捉等效材料性能变化点。当然，增量步优选增量步阈值。
最后，针对步骤A3，随着固化过程的推进，等效材料会发生应变，因此，需要不断更新每个子区域中等效材料的弹性模量和热膨胀系数。
该步骤通过实时获取每个子区域的应变，当某个区域的应变大于应变阈值时，则将该区域的弹性模量更新为软膜的弹性模量，以及将该子区域中等效材料的热膨胀系数更新为软膜的热膨胀系数，直至每个子区域均更新完完毕。该种更新方式相当于将复合材料作为一种性能突变的材料，具体原理如下：
1）在应变较小时，即等效材料的应变达到应变阈值之前，其力学性能极低，其变形产生的应力远小于目标软模和复合材料的应力。又由于此时，等效材料的初始弹性模量和初始热膨胀系数均较小，可以忽略其对软膜和复合材料的影响。因此，可以用软模-等效材料-复合材料有限元模型代替软模-工艺间隙-复合材料有限元模型。
2）等效材料的应变达到应变阈值之后，此时可以判定工艺间隙已经消失，等效材料的力学性能更新为目标软模的力学性能，因此，可以用软模-等效材料-复合材料有限元模型等效于软模-软模-复合材料模型。该种等效方式具有以下优点：a.由于有限元分析的研究对象是复合材料，且复合材料的刚度远大与软膜，因此，将等效材料的参数设为软膜的参数，可以减少对复合材料的影响。b.复合材料的尺寸远小于软膜的尺寸，因此，等效材料的参数设为软膜的参数，即将等效材料作为软膜的一部分，对模型的模拟精度影响较小。
然后，针对步骤102和104，剪切层包括不同位置处所述软膜与所述复合材料网格结构之间的摩擦力和粘性力。
如图5所示，为将剪切层施加在复合材料网格结构筋条的初始截面上之后的示意图。从图中可以看出，复合材料和软膜具有多个接触表面，分别为复合材料的两个侧面和一个底面。因此，需要在每个接触表面均施加一个剪切层，其中不同位置的剪切层参数不同，剪切层参数通过试验获得。试验方法为本领域常用方法，此处不再赘述。
最后，针对步骤106，利用挤压-剪切作用耦合分析模型可以对剪切作用进行分析，得到最终的筋条截面尺寸。
如图2、图3所示，本发明实施例提供了一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。从硬件层面而言，如图2所示，为本发明实施例提供的一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置所在电子设备的一种硬件架构图，除了图2所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的电子设备通常还可以包括其他硬件，如负责处理报文的转发芯片等等。以软件实现为例，如图3所示，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在电子设备的CPU将非易失性存储器中对应的计算机程序读取到内存中运行形成的。
本实施例提供的一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置，包括：
计算单元300，用于基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状；所述正应力为利用软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜与所述复合材料网格结构之间的垂直挤压力；
剪切层确定单元302，用于预先确定利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜和所述复合材料网格结构之间的剪切层；
耦合分析单元304，用于将所述剪切层施加在所述复合材料网格结构筋条的初始截面上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型；
求解单元306，用于对所述挤压-剪切作用耦合分析模型进行求解，得到所述复合材料网格结构筋条的最终截面形状。
在一些实施方式中，所述剪切层包括不同位置处所述软膜与所述复合材料网格结构之间的摩擦力和粘性力。
在一些实施方式中，所述软膜-复合材料有限元模型是基于软膜材料本构模型、等效材料和复合材料本构模型构建的；其中，所述等效材料用于模拟利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时所需的工艺间隙。
在一些实施方式中，所述软膜材料本构模型为：
式中，W为应变能密度函数；I 1、I 2和I 3分别为软模材料的张量不变量；C ij与K i分别为软模材料的性能参数，MPa；N为本构模型阶数；i、j分别为正整数。
在一些实施方式中，所述复合材料本构模型为：
式中，为t时刻复合材料的应力分量；/>为t时刻复合材料的完全松弛刚度矩阵，即储能模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的黏性刚度矩阵，即由耗散模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的固化度；T t为t时刻复合材料的温度；W m为第m支Maxwell单元的权重系数；/>为复合材料的机械应变；/>为第m支Maxwell单元的松弛时间；/>为t时刻等效时间；/>为当前等效时间；i、j分别为正整数。
在一些实施方式中，所述等效材料的参数包括材料厚度、弹性模量和热膨胀系数；
在基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，还包括：
基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数。
在一些实施方式中，所述基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数，包括：
将所述等效材料划分为多个子区域，并给定每个所述子区域一个初始厚度、初始弹性模量和初始热膨胀系数；
确定所述软膜-复合材料有限元模型的增量步；
在利用所述软膜-复合材料有限元模型计算所述复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，每增加一个增量步，均对每个所述子区域执行如下操作：
获取该子区域的当前应变，并判断该当前应变是否大于预设的应变阈值；
若是，则将该子区域中等效材料的弹性模量更新为所述软膜的弹性模量，以及将该子区域中等效材料的热膨胀系数更新为所述软膜的热膨胀系数；若否，则不更新。
在一些实施方式中，所述等效材料的初始厚度大于所述工艺间隙。
在一些实施方式中，所述初始弹性模量小于所述软膜的弹性模量；和/或，初始热膨胀系数为零。
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。
上述装置内的各模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明任一实施例中的一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例中的一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法。
具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机（或CPU或MPU）读出并执行存储在存储介质中的程序代码。
在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。
用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘（如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW）、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。
此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展模块中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展模块上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析方法，其特征在于，包括：
基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状；所述正应力为利用软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜与所述复合材料网格结构之间的垂直挤压力；
预先确定利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜和所述复合材料网格结构之间的剪切层；
将所述剪切层施加在所述复合材料网格结构筋条的初始截面上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型；
对所述挤压-剪切作用耦合分析模型进行求解，得到所述复合材料网格结构筋条的最终截面形状；
所述剪切层包括不同位置处所述软膜与所述复合材料网格结构之间的摩擦力和粘性力；
所述软膜-复合材料有限元模型是基于软膜材料本构模型、等效材料和复合材料本构模型构建的；其中，所述等效材料用于模拟利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时所需的工艺间隙；
所述软膜材料本构模型为：
式中，W为应变能密度函数；I 1、I 2和I 3分别为软模材料的张量不变量；C ij与K i分别为软模材料的性能参数，MPa；N为本构模型阶数；i、j分别为正整数；
所述复合材料本构模型为：
式中，为t时刻复合材料的应力分量；/>为t时刻复合材料的完全松弛刚度矩阵，即储能模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的黏性刚度矩阵，即由耗散模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的固化度；T t为t时刻复合材料的温度；W m为第m支Maxwell单元的权重系数；/>为复合材料的机械应变；/>为第m支Maxwell单元的松弛时间；/>为t时刻等效时间；/>为当前等效时间；i、j分别为正整数；
所述等效材料的参数包括材料厚度、弹性模量和热膨胀系数；
在基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，还包括：
基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数；
所述基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数，包括：
将所述等效材料划分为多个子区域，并给定每个所述子区域一个初始厚度、初始弹性模量和初始热膨胀系数；
确定所述软膜-复合材料有限元模型的增量步；
在利用所述软膜-复合材料有限元模型计算所述复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，每增加一个增量步，均对每个所述子区域执行如下操作：
获取该子区域的当前应变，并判断该当前应变是否大于预设的应变阈值；
若是，则将该子区域中等效材料的弹性模量更新为所述软膜的弹性模量，以及将该子区域中等效材料的热膨胀系数更新为所述软膜的热膨胀系数；若否，则不更新；
所述增量步不大于增量步阈值；所述增量步阈值是通过如下公式确定的：
式中，为所述增量步阈值；/>为增量步系数；/>为所述工艺间隙；/>为软模的边缘到中心点的平均距离；/>为所述软膜的热膨胀系数；/>为所述复合材料的厚度；/>为所述复合材料2方向的热膨胀系数；/>为所述复合材料的玻璃态转化温度与室温的温差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效材料的初始厚度大于所述工艺间隙。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始弹性模量小于所述软膜的弹性模量；和/或，初始热膨胀系数为零。
4.一种基于软膜成型的复合材料网格结构筋条截面形状分析装置，其特征在于，包括：
计算单元，用于基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状；所述正应力为利用软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜与所述复合材料网格结构之间的垂直挤压力；
剪切层确定单元，用于预先确定利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时，所述软膜和所述复合材料网格结构之间的剪切层；
耦合分析单元，用于将所述剪切层施加在所述复合材料网格结构筋条的初始截面上，得到挤压-剪切作用耦合分析模型；
求解单元，用于对所述挤压-剪切作用耦合分析模型进行求解，得到所述复合材料网格结构筋条的最终截面形状；
所述剪切层包括不同位置处所述软膜与所述复合材料网格结构之间的摩擦力和粘性力；
所述软膜-复合材料有限元模型是基于软膜材料本构模型、等效材料和复合材料本构模型构建的；其中，所述等效材料用于模拟利用所述软膜生成所述复合材料网格结构时所需的工艺间隙；
所述软膜材料本构模型为：
式中，W为应变能密度函数；I 1、I 2和I 3分别为软模材料的张量不变量；C ij与K i分别为软模材料的性能参数，MPa；N为本构模型阶数；i、j分别为正整数；
所述复合材料本构模型为：
式中，为t时刻复合材料的应力分量；/>为t时刻复合材料的完全松弛刚度矩阵，即储能模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的黏性刚度矩阵，即由耗散模量构成的刚度矩阵；/>为t时刻复合材料的固化度；T t为t时刻复合材料的温度；W m为第m支Maxwell单元的权重系数；/>为复合材料的机械应变；/>为第m支Maxwell单元的松弛时间；/>为t时刻等效时间；/>为当前等效时间；i、j分别为正整数；
所述等效材料的参数包括材料厚度、弹性模量和热膨胀系数；
在基于预先构建的软膜-复合材料有限元模型，计算在正应力作用下，复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，还包括：
基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数；
所述基于该等效材料不同时刻的应变更新等效材料的弹性模量和热膨胀系数，包括：
将所述等效材料划分为多个子区域，并给定每个所述子区域一个初始厚度、初始弹性模量和初始热膨胀系数；
确定所述软膜-复合材料有限元模型的增量步；
在利用所述软膜-复合材料有限元模型计算所述复合材料网格结构筋条的初始截面形状时，每增加一个增量步，均对每个所述子区域执行如下操作：
获取该子区域的当前应变，并判断该当前应变是否大于预设的应变阈值；
若是，则将该子区域中等效材料的弹性模量更新为所述软膜的弹性模量，以及将该子区域中等效材料的热膨胀系数更新为所述软膜的热膨胀系数；若否，则不更新；
所述增量步不大于增量步阈值；所述增量步阈值是通过如下公式确定的：
式中，为所述增量步阈值；/>为增量步系数；/>为所述工艺间隙；/>为软模的边缘到中心点的平均距离；/>为所述软膜的热膨胀系数；/>为所述复合材料的厚度；/>为所述复合材料2方向的热膨胀系数；/>为所述复合材料的玻璃态转化温度与室温的温差。
5.一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1-3中任一项所述的方法。
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2024
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