CN117747033A

CN117747033A - 复合材料网格结构数字化建模方法和建模装置

Info

Publication number: CN117747033A
Application number: CN202410177734.0A
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: 2024-03-22
Anticipated expiration: 2044-02-08
Also published as: CN117747033B

Abstract

发明涉及复合材料仿真技术领域，特别涉及一种复合材料网格结构数字化建模方法和建模装置。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，并对建模得到的网格节点模型进行节点压实模拟，得到目标节点模型；对目标节点模型进行区域划分，并计算每一个区域的纤维体积分数；对复合材料的网格结构进行建模，以利用区域划分结果对建模得到的初始网格结构模型进行拆分，并对拆分得到的每个区域赋予对应的纤维体积分数，得到复合材料的目标网格结构模型。本方案通过为复合材料网格结构各个区域赋予不同的纤维体积分数，来提高复合材料网格结构的模拟精度。

Description

复合材料网格结构数字化建模方法和建模装置

技术领域

本发明实施例涉及复合材料仿真技术领域，特别涉及一种复合材料网格结构数字化建模方法和建模装置。

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，因此在压实后会形成铺层阶差。而传统的大尺寸复合材料网格结构的仿真模型通常采用均匀纤维体积分数的理想模型，没有考虑网格结构在制造过程中由于纤维屈曲、架空造成的网格节点处纤维体积分数分布不均的情况，因此，传统的复合材料网格结构数字化建模方法的模拟精度不高。

因此，亟需一种新的复合材料网格结构数字化建模方法。

发明内容

为了解决传统的复合材料网格结构数字化建模方法没有考虑网格节点处纤维体积分数分布不均而导致模拟精度不高的问题，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构数字化建模方法和建模装置。

第一方面，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构数字化建模方法，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，并对建模得到的网格节点模型进行节点压实模拟，得到目标节点模型；

对所述目标节点模型进行区域划分，并计算每一个区域的纤维体积分数；

对复合材料的网格结构进行建模，以利用区域划分结果对建模得到的初始网格结构模型进行拆分，并对拆分得到的每个区域赋予对应的纤维体积分数，得到复合材料的目标网格结构模型。

第二方面，本发明实施例还提供了一种复合材料网格结构数字化建模装置，应用于有限元仿真软件，装置包括：

模拟单元，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，并对建模得到的网格节点模型进行节点压实模拟，得到目标节点模型；

计算单元，用于对所述目标节点模型进行区域划分，并计算每一个区域的纤维体积分数；

建模单元，用于对复合材料的网格结构进行建模，以利用区域划分结果对建模得到的初始网格结构模型进行拆分，并对拆分得到的每个区域赋予对应的纤维体积分数，得到复合材料的目标网格结构模型。

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数字化建模方法和建模装置，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，并对建模得到的网格节点模型进行节点压实模拟，得到纤维体积分数分布不均的目标节点模型；然后对目标节点模型进行精细化区域划分，并计算每一个区域的纤维体积分数，那么在对复合材料的网格结构建模后，通过区域划分结果将初始网格结构模型中每一个节点的每一个区域拆分出来，并对每个区域赋予对应的纤维体积分数，以此来模拟分布不均的纤维体积分数，可以大大提高复合材料网格结构的模拟精度。

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数字化建模方法的流程图；

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区域划分结果示意图；

图6是本发明一实施例提供的一种目标节点模型区域分割示意图；

图7是本发明一实施例提供的一种网格结构模型拆分示意图；

图8是本发明一实施例提供的一种计算设备的硬件架构图；

图9是本发明一实施例提供的一种复合材料网格结构数字化建模装置结构图。

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数字化建模方法，应用于有限元仿真软件，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，并对建模得到的网格节点模型进行节点压实模拟，得到目标节点模型；

步骤102，对目标节点模型进行区域划分，并计算每一个区域的纤维体积分数；

步骤104，对复合材料的网格结构进行建模，以利用区域划分结果对建模得到的初始网格结构模型进行拆分，并对拆分得到的每个区域赋予对应的纤维体积分数，得到复合材料的目标网格结构模型。

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，并对建模得到的网格节点模型进行节点压实模拟，得到纤维体积分数分布不均的目标节点模型；然后对目标节点模型进行精细化区域划分，并计算每一个区域的纤维体积分数，那么在对复合材料的网格结构建模后，通过区域划分结果将初始网格结构模型中每一个节点的每一个区域拆分出来，并对每个区域赋予对应的纤维体积分数，以此来模拟分布不均的纤维体积分数，可以大大提高复合材料网格结构的模拟精度。

针对步骤100：

在本步骤，首先需要对复合材料的网格节点进行有限元建模，然后对模具进行有限元建模，最后将网格节点模型放入模具模型后施加载荷进行节点压实模拟，得到目标节点模型。

接下来，对复合材料的网格节点的有限元建模过程进行说明。

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；

对数字单元纤维束和树脂基体模型进行有限元网格划分；其中，数字单元纤维束的有限元网格单元为梁单元；

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的左侧图，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材质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，数字单元链可以采用具有弯曲刚度的B31梁单元，树脂基体模型可以采用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，有限元模拟软件为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，可以得到网格节点模型。可以看到，本实施例的网格节点模型的建模方法十分精细，大大提高了建模精度，以进一步提高复合材料网格结构的建模精度。

在一些实施方式中，步骤“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”，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；

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。

接下来，对模具的有限元建模过程进行说明。

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。

接下来，对节点压实模拟过程进行说明。

在一些实施方式中，节点压实模拟过程可以包括：

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。在节点压实过程模拟完成后，可以参考图5。的目标节点模型的单向带示意图，可以看到由于节点处含有双倍预浸料，因此会形成铺层阶差，存在由于纤维屈曲、架空造成的网格节点处纤维体积分数分布不均的情况。

针对步骤102：

在本发明实施例中，以数字单元链的径向分段为梁单元，对数字单元纤维束进行有限元网格划分；

步骤“对目标节点模型进行区域划分”，可以包括：

确定目标节点模型最顶层的预浸料模型中每一个梁单元的割线斜率；

将割线斜率大于0.05的梁单元所处区域划分为过渡区，得到目标节点模型四个过渡区的区域边界线；

将目标节点模型四个过渡区之间的区域确定为节点区，其余区域为筋条区；

基于四个过渡区的区域边界线，向X-Y平面做垂面，将目标节点模型分割为九个区域。

在本实施例中，可以将每一个数字单元链的径向均分为若干段，来进行有限元网格划分，每一段即为数字单元纤维束有限元网格划分后的梁单元。自动化的节点区域划分通过Python脚本在ABAQUS软件中完成，根据纤维屈曲程度的差异进行划分。

由于目标节点模型最顶层的预浸料模型的纤维屈曲最为严重，因此在Python脚本中定义，将割线斜率大于0.05的梁单元所处区域划分为过渡区，得到目标节点模型中所有过渡区的区域边界线。割线斜率即为梁单元的两端节点在Z方向上的落差与梁单元在X-Y平面内投影长度之比。可知，过渡区的割线斜率大于节点区和筋条区，节点区和筋条区的梁单元的割线斜率接近于0。可以参考图5的单向带区域划分示意图和图6，目标节点模型存在两个交叉的单向带，每个单向带存在两个过渡区，目标节点模型存在四个过渡区。可以将目标节点模型四个过渡区之间的区域确定为节点区，其余四个区域为筋条区。也可以根据区域中梁单元与目标节点模型的原点0的距离来区分节点区和筋条区，距离较近的为节点区，较远的为筋条区。参考图6，区域abcd为目标节点模型最顶层预浸料模型的其中一个过渡区的区域边界线，基于四个过渡区的区域边界线，向X-Y平面做垂面，可以将目标节点模型分割为九个区域，即一个节点区、四个过渡区和4个筋条区。

在一些实施方式中，在将目标节点模型分割为九个区域之后，还包括：基于设定拆分数量，将任一个过渡区沿预浸料模型的长度方向拆分成多段，得到设定拆分数量的子过渡区。

在本实施例中，由于过渡区中各个位置的纤维体积分数差距较大，为了进一步提高模拟精度，还需要对过渡区进行二次拆分。可以参考图5的下侧图，由于过渡区的高度是沿预浸料模型长度方向变化的，因此需将过渡区再次沿预浸料模型长度方向拆分成多段，再分别计算每个区域的纤维体积分数。可以理解，过渡区拆分的数量越多，建模精度越高，拆分数量可以由Python指令控制提前设定。

在一些实施方式中，步骤“计算每一个区域的纤维体积分数”，可以包括：

针对每一个区域，均执行：

统计当前区域内梁单元的数量，并基于预先确定的比例因子，确定当前区域内的纤维数量；其中，比例因子是基于复合材料网格结构的每根纤维带中实际含有的纤维丝数量除以数字单元纤维束中数字单元链的数量得到；

基于梁单元的长度、实际纤维丝的截面积和当前区域内的纤维数量，确定当前区域内的纤维体积；

确定当前区域的体积，并将当前区域内的纤维体积与当前区域的体积之比作为当前区域的纤维体积分数。

在本实施例中，由于实际纤维丝的直径远小于梁单元的直径，在对网格节点模型进行建模时，若以实际纤维丝的直径建立数字单元链，那么建立与复合材料网格结构的纤维带相同尺寸的数字单元纤维束时，线性阵列中的数值会非常大，即数字单元纤维束中数字单元链的数量会特别多，为了降低建模难度和避免浪费计算资源，可以预先设置比例因子。因此统计到的梁单元的数量n*需要乘以比例因子k，即n*×k=n，n为当前区域内的纤维数量。此外若一节梁单元同时位于两个区域，则在统计时有50%的概率归属于任意一方。

在本发明实施例中，当前区域内的纤维体积是通过如下公式确定的：

式中，为当前区域的纤维体积，/>为当前区域内的纤维数量，/>为梁单元的长度，/>为实际纤维丝的截面积。

在得到当前区域内的纤维体积后，计算当前区域的体积，并将当前区域内的纤维体积与当前区域的体积之比作为当前区域的纤维体积分数。可以理解，在计算每一个区域的纤维体积分数之前，需要从目标节点模型中获取节点区、任一个筋条区和进行二次拆分后的子过渡区，然后利用上述计算步骤对获取的节点区、筋条区和每一个子过渡区分别进行纤维体积分数的计算。

针对步骤104：

在对大尺寸复合材料网格结构的单个网格节点建模，且计算目标节点模型每一个区域的纤维体积分数后，对复合材料的网格结构进行整体建模。由于网格结构的筋条排布具有一定的周期性，因此以网格结构的筋条分布特征、筋条尺寸、直径、高度作为输入，基于Python脚本在ABAQUS中进行参数化建模，可以得到如图7中左侧图所示的初始网格结构模型。

由于初始网格结构模型为参数化建立，因此每个节点在ABAQUS中的空间坐标是已知的，可以根据步骤102的区域划分结果中每一个区域的尺寸和与每一个区域中心与节点原点的距离，来将初始网格结构模型进行拆分，拆分为若干个节点区、筋条区和子过渡区。那么，将步骤102中计算的节点区、筋条区和各子过渡区的纤维体积分数，对应赋予至初始网格结构模型拆分后的每个区域后，以此来模拟分布不均的纤维体积分数，可以大大提高复合材料的目标网格结构模型的模拟精度。

在本发明实施例中，分别对传统方法建立的网格结构模型和本发明实施例的目标网格结构模型进行压缩强度模拟，两种建模方法的模型模拟结果与实际网格结构的压缩强度实验结果进行对比后显示，目标网格结构模型的强度预报精度大幅提高，由此可见本实施例建模方法可以大幅提升大尺寸复合材料网格结构的模拟精度，并且通过数字化建模方法，可以进行快速高精度建模。

如图8、图9所示，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构数字化建模装置。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8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8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9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数字化建模装置，应用于有限元仿真软件，装置包括：

模拟单元901，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，并对建模得到的网格节点模型进行节点压实模拟，得到目标节点模型；

计算单元902，用于对目标节点模型进行区域划分，并计算每一个区域的纤维体积分数；

建模单元903，用于对复合材料的网格结构进行建模，以利用区域划分结果对建模得到的初始网格结构模型进行拆分，并对拆分得到的每个区域赋予对应的纤维体积分数，得到复合材料的目标网格结构模型。

在本发明一个实施例中，模拟单元901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，模拟单元901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：

在本发明一个实施例中，模拟单元901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，模拟单元901中以数字单元链的径向分段为梁单元，对数字单元纤维束进行有限元网格划分；

计算单元902在执行对目标节点模型进行区域划分时，用于：

在本发明一个实施例中，计算单元902在执行将目标节点模型分割为九个区域之后，还用于：基于设定拆分数量，将任一个过渡区沿预浸料模型的长度方向拆分成多段，得到设定拆分数量的子过渡区。

在本发明一个实施例中，计算单元902在执行计算每一个区域的纤维体积分数时，用于执行：

针对每一个区域，均执行：

在本发明一个实施例中，计算单元902中当前区域内的纤维体积是通过如下公式确定的：

在本发明一个实施例中，有限元模拟软件为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数字化建模装置的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种复合材料网格结构数字化建模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数字化建模方法。

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数字化建模方法。

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数字化建模方法，其特征在于，应用于有限元仿真软件，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述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；

对所述数字单元纤维束和所述树脂基体模型进行有限元网格划分；其中，所述数字单元纤维束的有限元网格单元为梁单元；

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。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述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，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。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模量松弛表达式为：

所述非线性塑性表达式为：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以所述数字单元链的径向分段为梁单元，对所述数字单元纤维束进行有限元网格划分；

所述对所述目标节点模型进行区域划分，包括：

确定所述目标节点模型最顶层的所述预浸料模型中每一个梁单元的割线斜率；

将所述割线斜率大于0.05的梁单元所处区域划分为过渡区，得到所述目标节点模型四个过渡区的区域边界线；

将所述目标节点模型四个过渡区之间的区域确定为节点区，其余区域为筋条区；

基于四个过渡区的所述区域边界线，向X-Y平面做垂面，将所述目标节点模型分割为九个区域。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述将所述目标节点模型分割为九个区域之后，还包括：基于设定拆分数量，将任一个过渡区沿所述预浸料模型的长度方向拆分成多段，得到设定拆分数量的子过渡区。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算每一个区域的纤维体积分数，包括：

针对每一个区域，均执行：

统计当前区域内梁单元的数量，并基于预先确定的比例因子，确定当前区域内的纤维数量；其中，所述比例因子是基于复合材料网格结构的每根纤维带中实际含有的纤维丝数量除以所述数字单元纤维束中所述数字单元链的数量得到；

基于所述梁单元的长度、实际纤维丝的截面积和当前区域内的纤维数量，确定当前区域内的纤维体积；

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当前区域内的纤维体积是通过如下公式确定的：

式中，为当前区域的纤维体积，/>为当前区域内的纤维数量，/>为所述梁单元的长度，/>为实际纤维丝的截面积。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述有限元模拟软件为ABAQUS软件，利用ABAQUS软件的Embed约束进行数字单元嵌入。

10.一种复合材料网格结构数字化建模装置，其特征在于，应用于有限元仿真软件，所述装置包括：

11.一种计算设备，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1-9中任一项所述的方法。

12.一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1-9中任一项所述的方法。