本發(fā)明涉及復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地，本發(fā)明為復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有更高的比剛度和比強(qiáng)度，材料強(qiáng)度可充分利用，其具有力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越廣泛地被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)中。

在復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，常規(guī)的建模方法是：首先分別建立復(fù)合材料加筋蒙皮有限元模型和泡沫有限元模型，其次將復(fù)合材料加筋蒙皮有限元模型與泡沫有限元模型進(jìn)行裝配、對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，常規(guī)的方法通過上述方式實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)有限元建模的建立。

但是，由于復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式很復(fù)雜，在進(jìn)行模型裝配、節(jié)點(diǎn)耦合的過程中，無法實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)耦合，經(jīng)常出現(xiàn)利用待耦合兩個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的平均節(jié)點(diǎn)作為共節(jié)點(diǎn)的情況，從而導(dǎo)致耦合計(jì)算精度差、節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力傳遞效果差、應(yīng)變傳遞效果差等問題。不僅如此，常規(guī)建模方法的模型建立過程繁瑣，存在建模工作量大的問題。

因此，如何提高耦合計(jì)算精度、如何提高節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力傳遞效果、如何提高應(yīng)變傳遞效果、如何有效地減小建模工作量，成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題和始終研究的重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的建模方法裝配過程中存在的耦合計(jì)算精度差、模型節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力傳遞效果差、應(yīng)變傳遞效果差、建模工作量大等問題，本發(fā)明創(chuàng)新地提供了一種復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法，通過實(shí)體模型建立、切割、殼體區(qū)域以及泡沫實(shí)體區(qū)域建立等方法保證節(jié)點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)，避免了常規(guī)建模方法必須計(jì)算平均節(jié)點(diǎn)的問題，進(jìn)而解決了常規(guī)建模方法存在的耦合計(jì)算精度差、節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力傳遞效果差、應(yīng)變傳遞效果差等問題；通過對(duì)建模方法的優(yōu)化和簡(jiǎn)化以及建模計(jì)算量的減少，本發(fā)明還解決了常規(guī)建模方法存在的建模工作量大的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明公開了一種復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法，該建模方法包括如下步驟，

步驟1，建立一個(gè)三維實(shí)體模型，所述三維實(shí)體模型的外輪廓尺寸為復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸；

步驟2，分割所述三維實(shí)體模型，得到泡沫實(shí)體區(qū)域，同時(shí)得到復(fù)合材料加筋蒙皮和泡沫的分界面；所述分界面為復(fù)合材料加筋蒙皮和泡沫的共用面；

步驟3，在所述分界面上建立一層殼體區(qū)域，并為所述殼體區(qū)域賦予復(fù)合材料屬性、為所述泡沫實(shí)體區(qū)域賦予泡沫材料屬性；

步驟4，對(duì)所述殼體區(qū)域和泡沫實(shí)體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型；

步驟5，設(shè)置所述有限元網(wǎng)格模型的邊界條件；

步驟6，基于所述外輪廓尺寸、復(fù)合材料屬性、泡沫材料屬性及邊界條件提交計(jì)算，從而完成對(duì)復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的建模。

通過上述的實(shí)體模型的建立和分割、殼體區(qū)域和泡沫實(shí)體區(qū)域的網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置，本發(fā)明徹底突破了傳統(tǒng)方案先分體建立、再重新組合的方案，不僅有效減小了建模工作量，而且解決了傳統(tǒng)方案由于平均節(jié)點(diǎn)的存在而產(chǎn)生的計(jì)算精度差的問題；另外，本發(fā)明提供的建模方法還具有簡(jiǎn)單可行、思路清晰、便于技術(shù)人員掌握和使用等突出優(yōu)點(diǎn)，適于大面積的推廣和學(xué)習(xí)。

進(jìn)一步地，步驟6中，在提交計(jì)算前，還包括設(shè)置復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則的步驟。

進(jìn)一步地，步驟6中，所述失效準(zhǔn)則為hashin失效準(zhǔn)則或tsai-wu失效準(zhǔn)則。

進(jìn)一步地，所述hashin失效準(zhǔn)則包括：纖維壓縮斷裂失效指數(shù)、纖維拉伸斷裂失效指數(shù)、基體壓縮斷裂失效指數(shù)以及基體拉伸斷裂失效指數(shù)的設(shè)置。

進(jìn)一步地，步驟3中，所述復(fù)合材料屬性包括鋪層數(shù)目和鋪層角度。

進(jìn)一步地，步驟3中，所述泡沫材料屬性包括彈性模量、剪切模量以及泊松比。

進(jìn)一步地，步驟5中，所述邊界條件包括加速度、載荷、位移、慣性中的至少一種。

進(jìn)一步地，步驟4中，在abaqus環(huán)境下，所述有限元網(wǎng)格模型中，殼體區(qū)域的網(wǎng)格類型為四節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元，泡沫實(shí)體區(qū)域的網(wǎng)格類型為八節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元。

進(jìn)一步地，步驟6中，殼體區(qū)域和泡沫實(shí)體區(qū)域相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。

進(jìn)一步地，在上述的步驟1至步驟6中，本發(fā)明在abaqus環(huán)境下對(duì)所述復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型各個(gè)性能參數(shù)的分析。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明創(chuàng)新地提出了一種改進(jìn)的復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法，不僅極大地減小了建模工作量，而且有效地提高了耦合計(jì)算精度，進(jìn)而提高了有限元模型節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力傳遞效果和應(yīng)變傳遞效果。

另外，基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明還具有建模速度快、出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)低、通用性強(qiáng)、便于被技術(shù)人員掌握、適于大面積推廣使用等突出優(yōu)點(diǎn)，而且本發(fā)明的技術(shù)思路還可推廣應(yīng)用于其他夾層結(jié)構(gòu)的建模。

附圖說明

圖1為復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法進(jìn)行詳細(xì)的解釋和說明。

如圖1所示，本發(fā)明創(chuàng)新地公開了一種復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法，是對(duì)傳統(tǒng)有限元建模方法的改進(jìn)和優(yōu)化。具體地，本發(fā)明提供的復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易有限元建模方法可以通過abaqus實(shí)現(xiàn)，在abaqus環(huán)境下對(duì)復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，但是，在本發(fā)明提供的技術(shù)構(gòu)思啟示上，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以考慮在其他三維建模平臺(tái)上或結(jié)合其他的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的建模方法具體包括如下步驟。

步驟1，建立一個(gè)復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，三維實(shí)體模型的外輪廓尺寸為復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸；本實(shí)施例中，上述復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型可僅包含復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸信息，比如，復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸為200mm×35mm×100mm，其中，200mm×35mm表示建立的三維實(shí)體模型界面外輪廓尺寸，100mm表示三維實(shí)體模型長(zhǎng)度方向尺寸l。

步驟2，本發(fā)明創(chuàng)新采用建立并分割三維實(shí)體模型的方法，具體分割過稱為：分割三維實(shí)體模型，得到泡沫實(shí)體區(qū)域，同時(shí)得到復(fù)合材料加筋蒙皮和泡沫的分界面；上述的分界面為建成后的有限元模型中的復(fù)合材料加筋蒙皮和泡沫之間的共用面。

步驟3，在分界面上建立一層殼體區(qū)域，并為殼體區(qū)域賦予復(fù)合材料屬性、為泡沫實(shí)體區(qū)域賦予泡沫材料屬性，泡沫實(shí)體區(qū)域最終會(huì)被建立為有限元模型中的泡沫部分，殼體區(qū)域最終會(huì)被建立為有限元模型中的復(fù)合材料加筋蒙皮部分。本實(shí)施例中，復(fù)合材料屬性包括鋪層數(shù)目和鋪層角度，泡沫材料屬性包括彈性模量、剪切模量以及泊松比。

步驟4，對(duì)殼體區(qū)域和泡沫實(shí)體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)對(duì)殼體區(qū)域和泡沫實(shí)體區(qū)域離散化，并生成節(jié)點(diǎn)，得到復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型，用于后續(xù)計(jì)算。本步驟中，有限元網(wǎng)格模型中，殼體區(qū)域的網(wǎng)格類型為四節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元(abaqus環(huán)境下的名稱為s4r殼單元)，泡沫實(shí)體區(qū)域的網(wǎng)格類型為八節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元(abaqus環(huán)境下的名稱為c3d8r實(shí)體單元)。

步驟5，設(shè)置有限元網(wǎng)格模型的邊界條件。本實(shí)施例中，該邊界條件包括加速度、載荷、位移、慣性中的至少一種。

步驟6，基于外輪廓尺寸、復(fù)合材料屬性、泡沫材料屬性及邊界條件提交計(jì)算，計(jì)算過程包括殼體區(qū)域和泡沫實(shí)體區(qū)域相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接耦合，由于對(duì)應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)均是來自于步驟1中建立的三維實(shí)體模型，耦合過程中不存在任何偏差，徹底克服現(xiàn)有技術(shù)中耦合計(jì)算精度差的問題，不需要計(jì)算平均節(jié)點(diǎn)，同時(shí)極大地降低了建模工作量。通過上述方法完成對(duì)復(fù)合材料加筋蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的建模。本實(shí)施例中，在提交計(jì)算前，還包括設(shè)置復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則的步驟，即基于外輪廓尺寸、復(fù)合材料屬性、泡沫材料屬性、邊界條件以及復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則提交計(jì)算。其中，失效準(zhǔn)則可為hashin失效準(zhǔn)則或tsai-wu失效準(zhǔn)則。

更為具體地，hashin失效準(zhǔn)則包括：纖維壓縮斷裂失效指數(shù)(通過在abaqus場(chǎng)輸出變量中輸入關(guān)鍵字“hsnfccrt”實(shí)現(xiàn))、纖維拉伸斷裂失效指數(shù)(通過在abaqus場(chǎng)輸出變量中輸入關(guān)鍵字“hsnftcrt”實(shí)現(xiàn))、基體壓縮斷裂失效指數(shù)(通過在abaqus場(chǎng)輸出變量中輸入關(guān)鍵字“hsnmccrt”實(shí)現(xiàn))以及基體拉伸斷裂失效指數(shù)(通過在abaqus場(chǎng)輸出變量中輸入關(guān)鍵字“hsnmtcrt”實(shí)現(xiàn))的設(shè)置。而tsai-wu失效準(zhǔn)則可以通過在abaqus場(chǎng)輸出變量中輸入關(guān)鍵字“tsaiw”實(shí)現(xiàn)。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“本實(shí)施例中”、“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容上所作的任何修改、等同替換和簡(jiǎn)單改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。