CN117725806B

CN117725806B - 复合材料网格结构的铺层阶差预报方法和装置

Info

Publication number: CN117725806B
Application number: CN202410177687.XA
Authority: CN
Inventors: 叶金蕊; 刘凯; 闫安石
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2024-02-08
Filing date: 2024-02-08
Publication date: 2024-05-07
Anticipated expiration: 2044-02-08
Also published as: CN117725806A

Abstract

本发明涉及复合材料工艺力学技术领域，特别涉及一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法和装置。应用于有限元仿真软件，方法包括：利用数字单元嵌入方式，对复合材料的网格节点和模具进行有限元建模，得到网格节点模型和模具模型；将网格节点模型放入模具模型后施加载荷，以模拟节点压实过程；在节点压实过程模拟完成后，得到网格节点的铺层阶差。本方案可以对网格节点模型和模具模型进行精细化建模，然后模拟节点压实过程，以此来实现对节点铺层阶差的精准预报。

Description

复合材料网格结构的铺层阶差预报方法和装置

技术领域

本发明实施例涉及复合材料工艺力学技术领域，特别涉及一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法和装置。

背景技术

大尺寸复合材料的网格结构通常采用单向纤维预浸料缠绕成型，相较于筋条位置，网格节点处由于含有双倍预浸料，因此会形成铺层阶差。由于铺层阶差会影响大尺寸网格结构的装配，因此通常对网格结构进行二次加工，将网格节点处的铺层阶差磨平，但这种方法会破坏纤维连续性，对网格结构的力学性能产生不可逆的影响。

现有技术中，大多直接利用不同工艺参数制备复合材料网格结构的试样，通过直接测量试样，来获得不同工艺参数下的铺层阶差。这种方式十分费时费力，不仅成本高，而且精度也较低。

因此，亟需一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法，用以研究铺层阶差的产生机理。

发明内容

为了解决现有的铺层阶差预知方法十分费时费力，不仅成本高，而且精度也较低的问题，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法和装置。

第一方面，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法，应用于有限元仿真软件，方法包括：

利用数字单元嵌入方式，对复合材料的网格节点和模具进行有限元建模，得到网格节点模型和模具模型；

将所述网格节点模型放入所述模具模型后施加载荷，以模拟节点压实过程；

在所述节点压实过程模拟完成后，得到所述网格节点的铺层阶差。

第二方面，本发明实施例还提供了一种复合材料网格结构的铺层阶差预报装置，应用于有限元仿真软件，装置包括：

建模单元，用于利用数字单元嵌入方式，对复合材料的网格节点和模具进行有限元建模，得到网格节点模型和模具模型；

模拟单元，用于将所述网格节点模型放入所述模具模型后施加载荷，以模拟节点压实过程；

预报单元，用于在所述节点压实过程模拟完成后，得到所述网格节点的铺层阶差。

第三方面，本发明实施例还提供了一种计算设备，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复合材料网格结构的铺层阶差预报方法和装置，通过利用数字单元嵌入方式，对复合材料的网格节点和模具进行有限元建模，得到网格节点模型和模具模型，接着通过将网格节点模型放入模具模型后施加载荷，来模拟节点压实过程，以此来实现对节点铺层阶差的精准预报。

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。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一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法的流程图；

图2是本发明一实施例提供的一种网格节点模型构建过程示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种网格节点模型和模具模型的示意图；

图4是本发明一实施例提供的一种模拟节点压实过程的载荷设置图；

图5是本发明一实施例提供的一种网格节点的铺层阶差模拟结果图；

图6是本发明一实施例提供的一种实际网格结构的铺层阶差扫描结果图；

图7是本发明一实施例提供的一种计算设备的硬件架构图；

图8是本发明一实施例提供的一种复合材料网格结构的铺层阶差预报装置结构图。

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。

请参考图1，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法，该方法包括：

步骤100，利用数字单元嵌入方式，对复合材料的网格节点和模具进行有限元建模，得到网格节点模型和模具模型；

步骤102，将网格节点模型放入模具模型后施加载荷，以模拟节点压实过程；

步骤104，在节点压实过程模拟完成后，得到网格节点的铺层阶差。

本发明实施例中，通过利用数字单元嵌入方式，对复合材料的网格节点和模具进行有限元建模，得到网格节点模型和模具模型，接着通过将网格节点模型放入模具模型后施加载荷，来模拟节点压实过程，以此来实现对节点铺层阶差的精准预报。

针对步骤100：

在一些实施方式中，网格节点模型是通过如下方式构建的：

确定复合材料最小纤维单元的弹性模量和泊松比，以构建数字单元链；

基于预先确定的线性阵列，对数字单元链进行单向性排布，得到数字单元纤维束；

基于数字单元纤维束的尺寸，构建复合材料的树脂基体模型；

利用嵌入单元法，将数字单元纤维束嵌入树脂基体模型中，得到预浸料模型；

利用预浸料模型从两个方向交叠铺层，得到预设高度的网格节点模型。

在本实施例中，可以参考图2，为了提高建模精度，提高大尺寸复合材料网格结构铺层阶差的预报精度，需要采用精细化建模。由于复合材料分为纤维部分和基体部分，需要分别对纤维部分和基体部分进行建模，而在构建数字单元纤维束时，需要先对最小纤维单元，即数字单元链进行建模。在本实施例中，数字单元链使用M40J碳纤维的参数，弹性模量设置为230GPa，泊松比设置为0.28；然后，基于预先确定的线性阵列，对数字单元链进行单向性排布，生成数字单元纤维束；接着，基于真实复合材料的基体和数字单元纤维束的尺寸，构建长方体树脂基体模型。

可以理解，在得到数字单元纤维束和树脂基体模型后，需要对数字单元纤维束和树脂基体模型进行有限元网格划分，数字单元链采用具有弯曲刚度的B31梁单元，树脂基体模型采用C3D8R六面体单元。

接着，基于嵌入单元法，将数字单元纤维束嵌入树脂基体模型中，可以得到预浸料模型。需要说明的是，数字单元纤维束与树脂基体模型合成预浸料模型，不是简单的叠加，需要利用嵌入单元法模拟复合材料的复合工艺，以提高建模精度。在本发明实施例中，有限元仿真软件为ABAQUS软件，可以利用ABAQUS软件的Embed约束进行数字单元嵌入。

在本实施例中，生成的预浸料模型的厚度为0.2mm，宽为6mm，长度为40mm。继续参考图2中的右侧图，利用预浸料模型从两个方向交叠铺层，每一个方向分别铺层40个预浸料模型，得到网格节点模型，节点交叠区域总共为80层预浸料模型。可以理解，网格节点模型的预设高度不同，每一个方向铺层的预浸料模型数量不同，可以根据实际需求设定预浸料模型铺层数量。

至此，完成了对复合材料网格节点的虚拟有限元建模。可以看到，本实施例的建模方法十分精细，大大提高了建模精度，以进一步提高大尺寸复合材料网格结构铺层阶差的预报精度。

在一些实施方式中，步骤“基于复合材料和数字单元纤维束的尺寸，构建树脂基体模型”，可以包括：

获取复合材料的松弛实验结果，以确定树脂基体的平衡模量、松弛模量和松弛时间，得到树脂基体模型的模量松弛表达式；

获取复合材料的压实实验结果，以确定树脂基体的屈服应力和非线性塑性本构参数，得到树脂基体模型的非线性塑性表达式；

基于模量松弛表达式、非线性塑性表达式以及数字单元纤维束的尺寸，构建树脂基体模型。

在本实施例中，要实现基于数字单元法的节点压实过程模拟，需要先通过复合材料的松弛实验，确定树脂基体的平衡模量、松弛模量和松弛时间，构建用以表征基体粘性的模量松弛表达式。以及通过复合材料的压实实验，确定树脂基体的屈服应力和非线性塑性本构参数，来构建用以表征基体塑性的非线性塑性表达式。那么，基于模量松弛表达式、非线性塑性表达式以及数字单元纤维束的尺寸，就可以构建树脂基体模型。

在一些实施方式中，模量松弛表达式为：

式中，为随时间变化的弹性模量，/>为树脂基体的平衡模量，/>和/>分别为第i个Prony级数展开式的松弛模量和松弛时间，/>为Prony级数展开式的数量；

所述非线性塑性表达式为：

式中，为瞬时应力，/>为屈服应力，A和m为非线性塑性本构参数，/>为塑性应变。

因此，通过对基体形状、材质粘性和塑性进行精细模拟，可以构建精细化的树脂基体模型，进一步可以提高大尺寸复合材料网格结构铺层阶差的预报精度。

在一些实施方式中，模具模型是通过如下方式构建的：

基于网格节点模型的尺寸，确定模具模型的凹槽深度、凹槽长宽和倒角半径；

获取模具的拉伸实验结果，以确定模具模型的材料参数，构建模具模型的超弹性本构模型；

基于凹槽深度、凹槽长宽、倒角半径、预先确定的热膨胀系数和超弹性本构模型，构建模具模型。

可以参考图3中的模具模型，为了将网格节点模型放入模具模型进行节点压实，需要设计模具模型的凹槽深度、凹槽长宽和倒角半径，这是影响网格节点的铺层阶差的工艺参数。在本实施例中，网格节点模型压实后的节点区域厚度约为8mm，因此凹槽深度设为12mm，在模具凹槽与网格节点模型之间有0.5mm工艺间隙，以基于网格节点模型的尺寸，确定模具模型的凹槽长宽，且确定模具的倒角半径为4mm。本实施例中的热膨胀系数设置为0.00026。

要实现基于数字单元法的节点压实过程模拟，需要先通过实际模具的拉伸实验，确定模具模型的材料参数，来构建模具模型的超弹性本构模型。

在一些实施方式中，超弹性本构模型是通过如下公式表示的：

式中，W为应变能，为主方向伸长率，C10和C01为材料参数。

在本实施例中，材料参数C10确定为，C01确定为/>。

针对步骤102：

在一些实施方式中，步骤102可以包括：

在将网格节点模型放入模具模型后，基于复合材料网格结构的实际压实过程的受力情况，向网格节点模型顶部施加均布压力；

向模具模型施加30℃-180℃递增的正温度载荷，以模拟模具模型加热膨胀对网格节点模型施加压力；

向网格节点模型施加沿铺层方向的应力场，以模拟网格结构的机器缠绕张力；

对模具模型底面和网格节点模型施加设定位移约束后，模拟节点压实过程。

在本实施例中，可以参考图3，将网格节点模型放入模具模型，之后在ABAQUS中进行节点压实过程模拟。模拟过程的载荷设置如图4所示，网格结构在热压罐中受到空气压力、模具压力和机器缠绕张力，在本实施例中先对网格节点模型顶部施加0.4MPa均布压力，同时通过对模具模型施加30℃-180℃递增的正温度载荷，由于模具会加热膨胀，从而对网格节点模型施加压力。同时由于机器缠绕过程会产生50N张力，因此对网格节点模型的缠绕方向施加等效沿铺层方向的40.6MPa应力场。最后，约束模具模型底面与周向位移，模拟在节点压实过程中的模具固定场景，同时通过对网格节点模型端部施加缠绕方向位移约束，来模拟网格节点在节点压实过程中只能上下动的场景。

针对步骤104：

节点压实过程模拟完成后，得到如图5所示的网格节点的铺层阶差模拟结果。由于在85℃时压实过程基本完成，因此图5的模拟结果为85℃时的网格节点模型，可以看到随着节点周围单向带被压实，在节点两个方向单向带交叠位置逐渐形成铺层阶差，通过获取顶部纤维带中间凸起相较于两边平缓线条的高度差，可以得到网格节点的铺层阶差预报结果。

接下来从两个方面验证模拟结果的正确性，首先对比模拟结果与扫描结果的形貌，如图6所示，图中加粗线条为纤维带走向，可以看到模拟结果的纤维带走向与扫描结果具有较高的相似度，从节点底部到顶部纤维带起伏逐渐变大，这表明铺层阶差也在随之增长。图5和图6中，白色线框为由铺层阶差造成的间隙，可以看到模拟结果中同样具有类似的特征，因此可以说明模拟结果的正确性。另一方面进行铺层阶差数值对比，对三种不同筋条高度的网格结构铺层阶差测量结果与模拟结果进行对比如表1所示，模拟结果与实验所得铺层阶差基本一致，最大误差不超过12.5%，说明了模拟结果的正确性，并且相同载荷下，随着铺层厚度增大，节点的铺层阶差也随之变大。因此，本发明实施例实现了大尺寸复合材料网格结构铺层阶差的高精度预报，可以为大尺寸复合材料网格结构的铺层阶差抑制提供方法指导。

表1 不同工艺参数铺层阶差扫描结果与模拟结果对比

如图7、图8所示，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构的铺层阶差预报装置。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7所示，为本发明实施例提供的一种复合材料网格结构的铺层阶差预报装置所在计算设备的一种硬件架构图。除了图7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计算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8所示，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在计算设备的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复合材料网格结构的铺层阶差预报装置，应用于有限元仿真软件，装置包括：

建模单元801，用于利用数字单元嵌入方式，对复合材料的网格节点和模具进行有限元建模，得到网格节点模型和模具模型；

模拟单元802，用于将网格节点模型放入模具模型后施加载荷，以模拟节点压实过程；

预报单元803，用于在节点压实过程模拟完成后，得到网格节点的铺层阶差。

在本发明一个实施例中，建模单元801中的网格节点模型是通过如下方式构建的：

在本发明一个实施例中，建模单元801在执行基于复合材料和数字单元纤维束的尺寸，构建树脂基体模型时，用于：

在本发明一个实施例中，建模单元801中模量松弛表达式为：

所述非线性塑性表达式为：

在本发明一个实施例中，建模单元801中的模具模型是通过如下方式构建的：

在本发明一个实施例中，建模单元801中超弹性本构模型是通过如下公式表示的：

式中，W为应变能，为主方向伸长率，C10和C01为材料参数。

在本发明一个实施例中，模拟单元802用于执行：

在本发明一个实施例中，有限元仿真软件为ABAQUS软件，利用ABAQUS软件的Embed约束进行数字单元嵌入。

可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对一种复合材料网格结构的铺层阶差预报装置的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种复合材料网格结构的铺层阶差预报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。

上述装置内的各单元之间的信息交互、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计算设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本发明任一实施例中的一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器执行时，使处理器执行本发明任一实施例中的一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法。

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。

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。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

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

1.一种复合材料网格结构的铺层阶差预报方法，其特征在于，应用于有限元仿真软件，所述方法包括：

在所述节点压实过程模拟完成后，得到所述网格节点的铺层阶差；

网格节点模型是通过如下方式构建的：

确定所述复合材料最小纤维单元的弹性模量和泊松比，以构建数字单元链；

基于预先确定的线性阵列，对所述数字单元链进行单向性排布，得到数字单元纤维束；

基于所述数字单元纤维束的尺寸，构建所述复合材料的树脂基体模型；

利用嵌入单元法，将所述数字单元纤维束嵌入所述树脂基体模型中，得到预浸料模型；

利用所述预浸料模型从两个方向交叠铺层，得到预设高度的网格节点模型；

所述基于所述数字单元纤维束的尺寸，构建树脂基体模型，包括：

获取所述复合材料的松弛实验结果，以确定树脂基体的平衡模量、松弛模量和松弛时间，得到所述树脂基体模型的模量松弛表达式；

获取所述复合材料的压实实验结果，以确定树脂基体的屈服应力和非线性塑性本构参数，得到所述树脂基体模型的非线性塑性表达式；

基于所述模量松弛表达式、所述非线性塑性表达式以及所述数字单元纤维束的尺寸，构建树脂基体模型；

所述模量松弛表达式为：

所述非线性塑性表达式为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具模型是通过如下方式构建的：

基于所述网格节点模型的尺寸，确定模具模型的凹槽深度、凹槽长宽和倒角半径；

获取模具的拉伸实验结果，以确定模具模型的材料参数，构建所述模具模型的超弹性本构模型；

基于所述凹槽深度、所述凹槽长宽、所述倒角半径、预先确定的热膨胀系数和所述超弹性本构模型，构建所述模具模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述超弹性本构模型是通过如下公式表示的：

式中，W为应变能，为主方向伸长率，C10和C01为材料参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述网格节点模型放入所述模具模型后施加载荷，以模拟节点压实过程，包括：

在将所述网格节点模型放入所述模具模型后，基于复合材料网格结构的实际压实过程的受力情况，向所述网格节点模型顶部施加均布压力；

向所述模具模型施加30℃-180℃递增的正温度载荷，以模拟所述模具模型加热膨胀对所述网格节点模型施加压力；

向所述网格节点模型施加沿铺层方向的应力场，以模拟网格结构的机器缠绕张力；

对所述模具模型底面和所述网格节点模型施加设定位移约束后，模拟节点压实过程。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述有限元仿真软件为ABAQUS软件，利用ABAQUS软件的Embed约束进行数字单元嵌入。

6.一种复合材料网格结构的铺层阶差预报装置，其特征在于，应用于有限元仿真软件，所述装置包括：

预报单元，用于在所述节点压实过程模拟完成后，得到所述网格节点的铺层阶差；

所述建模单元在进行网格节点模型建模时，用于：

基于所述复合材料，确定最小纤维单元的材料属性、弹性模量和泊松比，以构建数字单元链；

基于所述复合材料和所述数字单元纤维束的尺寸，构建树脂基体模型；

建模单元在执行基于数字单元纤维束的尺寸，构建复合材料的树脂基体模型时，用于：

基于模量松弛表达式、非线性塑性表达式以及数字单元纤维束的尺寸，构建树脂基体模型；

建模单元中模量松弛表达式为：

非线性塑性表达式为：

7.一种计算设备，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1-5中任一项所述的方法。

8.一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1-5中任一项所述的方法。