交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法与流程

1.本发明涉及结构的仿真分析方法，尤其涉及交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法。

背景技术：

2.纤维增强热固性复合材料，由于其独特的设计和应用优势而受到人们的广泛关注，但是其层间性能差、厚度方向强度低，压缩-拉伸强度比低等缺点限制了它的进一步发展。实验证明将传统的2维铺层结构发展至2.5 维交织铺层结构，能够大幅提高层间性能与抗冲击强度。目前，交织铺层技术在航空发动机的冷端如风扇叶片、包容机匣和短舱系统的复材结构上有着广阔的应用前景，也对复合材料的分析模拟技术提出了新的挑战。
3.公布号为cn110826284a的专利说明书公开了一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模及分析方法，其包括，包括步骤：
4.s1：设计交织与层压混合铺层结构；
5.s2：基于步骤s1中设计的交织与层压混合铺层结构，分别生成基础层压铺层模型和基础交织铺层模型；
6.s3：根据步骤s1中设计的铺层结构排列组合基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3d模型；
7.s4：对建立的交织和层压混合铺层复合材料层压板3d模型，进行材料属性、边界条件及加载方式设置，实现对交织和层压混合铺层复合材料层压板的力学性能的有限元分析。
8.公布号为cn110941922a的专利说明书公开了一种预测复合材料层压板层间和纤维带间损伤的仿真方法，包括如下步骤：
9.s1：建立网格单胞单元；
10.s2：基于步骤s1中建立的单层基础网格模型；
11.s3：根据铺层角度、铺层数量、铺层顺序，调用和组合预置纤维带间界面单元的基础层压板模型，然后在预置纤维带间界面单元的基础层压板模型的相邻层间预置界面单元，生成预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层压板3d模型；
12.s4：对步骤s3中所生成的预置层间界面单元和纤维带间界面单元的复合材料层合板3d模型的每根纤维带的材料属性进行设计，生成纤维增强复合材料层压板；
13.s5：通过仿真方法预测纤维增强复合材料层压板的强度和损伤。
14.根据发明人的研究，前述仿真方法得到的铺层切面特征与真实的交织铺层复合材料层压板还存在差距，也难以模拟层压板的性能发散性。

技术实现要素：

15.本发明的目的在于提供一种交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，其分析结果更接近真实的交织铺层复合材料层压板的特征。
16.根据本发明实施例，交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法包括多层网格生成，其中应用参数化交织铺层复合材料层压板的单层网格模型，并根据包括铺层顺序、纤维带带宽和铺层偏置的参数创建多层交织铺层的三维网格，其中，考虑纤维增强树脂基复合材料层压板在固化成型过程中存在铺层纤维带流动造成的局部单层厚度光滑变薄，为保证同方向的填补铺层可以填补间隔铺层间的空隙，填补铺层的偏置位移取为纤维带宽、纤维间隔、间隔铺层的偏置位移之和。
17.在一实施方式中，参数化交织铺层复合材料层压板的单层网格包括加密区域和加粗区域，并且设计加密区域和加粗区域的过渡区域，过渡区域相对于加密区域网格密度在纵向和横向分别降低，加粗区域相对于过渡区域网格密度在纵向和横向分别降低。
18.在一实施方式中，生成交织铺层复合材料层压板的三维模型后，从三维模型上不同的位置选取试样大小的模型，其微观结构会有不同，预测的性能也不同，借此准确模拟实际试验件中的微观结构偏差引起的性能发散性。
19.根据本发明的实施例，交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法在生成交织铺层复合材料层压板的三维模型后，通过统计每个单元节点处的总铺层厚度并与理论厚度相比较，得到每层铺层厚度的放大或缩小修正系数，调整每个节点处的单层厚度轮廓，以增大内部铺层的弯曲度使模型表面恢复平面，使得三维模型内部的弯曲特性更光滑，接近真实的铺层切面特征。
20.一方面，填补铺层的偏置位移建议取为纤维铺层带宽、铺层纤维间隔、间隔铺层的偏置位移之和，按照此参数关系生成的铺层网格叠合后的轮廓平整但内部铺层光滑弯曲的，从而分析结果更接近真实的交织铺层复合材料层压板的特征。
21.另一方面，当填补铺层的偏置位移和间隔铺层的偏置位移不满足以上关系时，会产生铺层间隙与重叠的缺陷，使铺层表面由于总厚度发生变化而凸凹不平，通过统计每个单元节点处的总铺层厚度并与理论厚度相比较得到每层铺层厚度的放大或缩小修正系数，调整每个节点处的单层厚度轮廓，增大内部铺层的弯曲度使模型表面恢复平面，其结果是分析结果更接近真实的交织铺层复合材料层压板的特征。
附图说明
22.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
23.图1是交织铺层复合材料层压板有限元仿真分析方法的流程图；
24.图2是交织铺层复合材料层压板网格单胞结构示意图；
25.图3是交织铺层复合材料层压板单层网格中的加密网格、加粗网格以及过渡网格的示意图；
26.图4是铺层纤维带流动造成的局部单层厚度光滑变薄示意图；
27.图5是交织铺层复合材料层压板的三维多层网格模型在合并前的铺层设计示意图；
28.图6是交织铺层复合材料层压板的三维模型示意图；
29.图7是交织铺层复合材料层压板的厚度截面示意图；
30.图8是交织铺层复合材料层压板代表单元截取示意图；
31.图9是交织铺层复合材料层压板代表单元的多种加载方式示意图；
32.图10是交织铺层复合材料层压板力学性能预测结果；
33.图11是实际试件剖面的电镜图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
35.图1示出了交织铺层复合材料层压板有限元仿真分析方法的流程，其包括模型网格生成1，模型生成2以及力学性能预测3。其中，模型网格生成1包括单层网格生成11和多层网格生成12。示出了交织铺层复合材料模型生成工具包运行流程。
36.前述单层网格生成11包括以下步骤：
37.(1)定义单层网格尺寸，例如宽度、角度等，并定义纤维带几何尺寸，例如纤维带宽度等，即参数化交织铺层复合材料层压板单元；
38.(2)基于交织铺层角度，设计有限元网格单胞模型的对角线的夹角和网格单胞模型的尺寸，建立交织铺层复合材料层压板有限元网格单胞模型110，示意图如图2所示；网格单胞模型110为方形，具有网格单胞长度a和铺层角度β，从图2来看，首先定义网格单胞长度a，确定水平边，然后根据铺层角度β和水平边可确定对角线，进而可确定垂直边，网格单胞模型110中的八边形以及八边形到方形的各个边的连接线为确保数值计算收敛的辅助线。在另一实施例中八边形替换为其他多边形，其边数根据计算精度等进行变化。
39.(3)图3a示出了单层网格的局部，单层网格包括加密区域111和加粗区域112，并且加密区域111和加粗区域112之间由过渡区域113连接。在非关注重点区采用加粗区域112减少网格单胞模型单元数，降低计算量，在重点关注区采用加细区域111，保证计算精度。加细区域111向加粗区域112过渡的过渡区域113采用图3b所示的有限元网格单胞模型13。过渡区域113相对于加密区域111使横向密度减半，纵向密度降为加细区域的1/4，在图3b中横向和纵向的尺寸比例不同，看起来为正方形，实际上为长方形。从加细区域向加粗区域过渡的过渡区域的单胞模型的尺寸变化如图3c所示。在图3a至图3c 示出的实施方式中，加密区域111的单胞采用图2所示的单胞模型110，过渡区域113和加粗区域112的单胞采用图3b所示的单胞模型13。在单胞模型13 中，线的交叉点为一个节点，例如单胞模型13的内部具有三个节点138、139、 138，三个节点138、139、138位于长边方向的中间位置，定义邻接网格密度较大的一侧为加密侧，位于网格密度较小的一侧为加粗侧，单胞模型13的加密侧具有5个节点，在加粗侧仅具有3个节点，位于中间的三个节点138、139、 138分别与加密侧和加粗侧的相应节点对齐。加密区域111的单胞以正方形为例，其边长为a，每个边设置3个节点。过渡区域113的单胞为长方形，其宽为2a，长为4a。过渡区域113的单胞的加密侧的宽边对应加密区域的2个单胞，与这2个单胞共边，因此具有5个节点，长方形内部设置两个节点138，该两个节点138位于长边方向的中间位置，并与加密侧宽边的相应节点对齐，单胞模型13内部的连接线为确保数值计算收敛的辅助线，内部的连接线适应单胞模型110及其内部辅助线。同样地，加密区域111的单胞模型为长方形，其宽为4a，长为8a，再次使得加密区域111的横向网
格密度减半，并且纵向网格密度再次降为1/4。
40.(4)在编译环境中运行程序，执行单层网格生成11的步骤(1)到(3)，将生成的交织铺层复合材料层压板模型的单层网格输出为ls-dyna，abaqus， ansys等软件可读入文件。
41.前述交织铺层复合材料层压板的多层网格生成包括：
42.(1)读取单层网格生成的ls-dyna，abaqus，ansys等软件可读入文件；
43.(2)读取输入参数文件，应用参数化交织铺层复合材料层压板模型的单层网格，根据铺层顺序、纤维带带宽和铺层偏置等参数创建模型网格，即创建多层交织铺层三维网格，此处的铺层偏置参数即为后述的“填补铺层的位置”，“间隔铺层的位置”的参数，主要为偏置距离；
44.(3)考虑纤维增强树脂基复合材料层压板在固化成型过程中存在铺层纤维带流动造成的局部单层厚度光滑变薄，为保证同方向的填补铺层可以精确填补间隔铺层间的空隙，填补铺层位置的偏置距离d取为铺层带宽g、铺层间隔 f、间隔铺层位置偏置距离e之和，图4a描述了这四种尺寸之间的相互关系。图4b描述了铺层边缘考虑纤维向外流动的轮廓形态，在铺层压实和固化过程中边缘纤维会向外流动w2的距离，并引起w1的范围内的铺层变薄，在图4b 中示出了铺层边缘变薄区域宽度w1，铺层边缘向外流动区域宽度w2，整个铺层厚度变化hx的轮廓遵循循环周期为2*w3的余弦曲线:
45.h为变化前的铺层厚度，x为以铺层边缘变薄区域邻接未变薄的区域为起点，计算出的铺层边缘变薄区域的宽度，w3为铺层边缘厚度变化区域总宽度；
46.按照此参数关系生成的铺层网格叠合后的轮廓即如图4c所示，其表面平整但内部铺层呈光滑弯曲的截面形状，图4还示出了纤维带初始间隔宽度和纤维带宽度变化区域。
47.当填补铺层的偏置位移和间隔铺层的偏置位移不满足以上关系时，会产生铺层间隙与重叠的缺陷，使铺层表面由于总厚度发生变化而凸凹不平，本发明实施例通过自动统计每个单元节点处的总铺层厚度并与理论厚度相比较得到每层铺层厚度的放大或缩小修正系数，调整每个节点处的单层厚度轮廓，增大内部铺层的弯曲度使模型表面恢复平面，使得模型内部的弯曲特性更光滑，接近真实的铺层切面特征，如图11所示；
48.(5)将生成的交织铺层复合材料层压板三维多层网格模型输出为 ls-dyna，abaqus，ansys等软件可读入文件。
49.回到图1，交织铺层层压板模型生成包括界面层设置和三维模型生成，其中界面层设置包括模拟层内裂纹起始和扩展的层内界面层单元61，及模拟层间分层起始与扩展影响的层间界面层单元62，如图5b所示。
50.三维模型生成包括：
51.(1)读取三维多层网格模型生成的ls-dyna，abaqus，ansys等软件可读入文件；
52.(2)读取输入参数文件，根据输入参数包括界面层厚度等合并多层铺层结构网格单元，生成交织铺层复合材料层压板三维模型；
53.(3)根据铺层的角度设计的网格角度和铺层顺序、纤维带带宽和铺层偏置，一个实施例铺层设计如图5a所示，最终形成的交织铺层层压板模型如图 6所示；
54.以图5a示出的铺层设计为例，其包括三向三交叉交织铺层结构为：
55.[60a/-60a/60b/0a/-60b/60a/0b]n，[60a/-60a/60a/60b/-60b/0b]n[0056]
以及四向四交叉交织铺层结构包括
[0057]
[0a/45a/90a/0b/-45a/45b/90b/0a/-45b/45a/90a/0b/-45a/45b/90b/-45b]和
[0058]
[0a/45b/-45a/90b/0a/0b/90a/-45b/45a/0b]。
[0059]
这里下标a表示从原点开始铺层(每层相邻纤维带都按照一定距离平移之后再进行铺层)，下标b表示填补铺层，下标n表示调控铺层数量，此参数可以根据厚度要求进行调控，此类交织铺层不存在理论上的周期性重复结构。
[0060]
(4)将生成的交织铺层复合材料层压板模型输出为ls-dyn，abaqus，ansys 等软件可读入文件。
[0061]
再次回到图1，力学性能预测包括代表单元提取，以及力学性能预测计算，最后进行计算结果的评定。其中，力学性能预测计算包括材料属性、边界条件、加载方式的设置。
[0062]
前述代表单元模型提取包括：
[0063]
(1)读取交织铺层复合材料层压板模型生成的ls-dyna，abaqus，ansys 等软件可读入文件；
[0064]
(2)读取输入参数文件，根据输入参数包括代表单元坐标和尺寸等参数，从交织铺层复合材料层压板模型中提取代表单元模型；
[0065]
(3)将三维多向铺层与自动生成的界面层合并生成交织铺层复合材料层压板有限元模型，满足交织铺层复合材料层压板厚度均一的特征，其厚度方向截面示意图如图7所示；界面层的生成通过自动匹配逐层叠加的每层网格节点坐标，当相邻两个铺层表面节点的平面坐标距离小于给定的误差值时即为界面层单元的一对节点，通过循环算法到每个铺层表面的节点对，一个表面的四个节点对即可生成相应的层内和层间界面层单元；
[0066]
(4)可以根据坐标和代表单元尺寸对交织铺层复合材料层压板模型进行切割，并对多个位置进行选取，可同时划分出多个代表单元进行分析，较佳实施例如图8所示，为一种加密交织铺层网格模型中提取了一个代表单元8的示意图，因为0度和90度铺层的带宽为g，
±
α铺层的带宽也为g，但
±
α铺层带宽在0，90度方向的投影宽度为g/sinα，交织结构只有在(g,g/sinα)的最小公倍数长度内才能出现周期性结构，而大部分角度α下sinα均为无理数，不存在(g,g/sinα)的最小公倍数，所以原理上大部分交织铺层结构均为非周期性结构。故从三维模型上不同的位置选取试样大小的模型，其微观结构会有不同，预测的性能也不同，借此可准确模拟实际试验件中的微观结构偏差引起的性能发散性；
[0067]
(5)铺层材料模型选用，设定材料属性，边界条件和加载方式，较佳实施例如图9所示，其中的箭头表示单元节点位移和载荷加载方向，通过沿箭头方向施加位移提取模型中的载荷，或者施加载荷提取边界节点位移得到模型的载荷-位移曲线，并结合应力＝载荷/模型横截面积，应变＝位移/模型沿加载方向尺寸得到图10所示的应力-应变曲线，根据不同方向的载荷位移曲线即可得到图9所示的纤维方向模量e11，强度x11，泊松比v12，v13，垂直纤维方向模量e22，强度x22，泊松比v21，v31，厚度方向模量e33，强度x33，泊松比v31，v32，纵横剪切模量g12，剪切强度s12，面外剪切模量g31，剪切强度 s31，面外剪切模量g32，剪切强度s32；
[0068]
(6)在编译环境中运行程序，将生成的代表单元模型输出为ls-dyna， abaqus，ansys等软件可读入文件。
[0069]
前述力学性能预测计算包括：
[0070]
(1)读取代表单元模型生成的ls-dyna，abaqus，ansys等软件可读入文件；
[0071]
(2)读取材料模型性能、模型边界条件和运行控制条件等；
[0072]
(3)运行多种加载方式下的模型，获取对应的应力应变曲线，求得交织铺层复合材料的性能参数，并输出为ls-dyna，abaqus，ansys等软件可读入文件。
[0073]
前述计算结果评定包括：
[0074]
(1)对结果文件进行处理和分析，得到交织铺层复合材料层压板代表单元的力学性能，包括模量、泊松比、应力应变曲线和失效模式等(结论)，使用本工具包能够准确的预测交织铺层复合材料的性能，预测的平均模量和强度与实验误差均在10％以内；
[0075]
(2)有限元仿真计算结果可直接与实验结果进行对比验证，力学性能预测较佳实施例如图10所示；
[0076]
(3)结合梁、经典层压板理论，对有限元仿真计算的结果进行有效性评价及误差分析。
[0077]
根据前述分析方法，利用计算机软件，通过交织铺层参数自动生成反应其内部细节结构的模型，其中包括铺层纤维带流动造成的局部单层厚度光滑变薄特征和铺层之间的界面层单元，可以模拟交织结构内裂纹的起始和扩展及最终失效的过程和性能变化，生成的模型能够用于系统地研究交织参数对性能的影响等问题，例如交织结构内裂纹的起始和扩展及最终失效的过程和性能变化，模型生成工具效率高，成本低，能够更为细致的处理模型中的细节使其更接近真实零件状态，预测结果误差更低。
[0078]
交织铺层的带宽、铺层间隙、铺层单层厚度、交织铺层顺序、交织相位等都会对铺层性能产生影响。交织铺层不存在理论上的周期性重复结构，其性能测试试件在铺层大板不同的位置所得到的性能也会有一定差别。为模拟研究铺层参数和试件取样位置对交织铺层复合材料性能的影响，需要在模型中考虑交织铺层的细节结构。前述实施方式考虑了交织铺层复合材料中纤维带宽、铺层间隙、铺层单层厚度、交织铺层顺序、交织相位等参数对层压板厚度和铺层性能的影响，针对2d和3d交织铺层复合材料3d 建模，对交织铺层的细节结构影响进行研究，为3d复合材料层压结构的设计提供支撑，同时，对自动铺丝/铺带技术制备交织铺层复合材料的工艺过程提供了指导作用，能够有效降低工艺成本。
[0079]
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：

1.交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，包括多层网格生成，其特征在于，应用参数化交织铺层复合材料层压板的单层网格模型，根据包括铺层顺序、纤维带带宽和铺层偏置的参数创建多层交织铺层的三维网格，其中，考虑纤维增强树脂基复合材料层压板在固化成型过程中存在铺层纤维带流动造成的局部单层厚度光滑变薄，为保证同方向的填补铺层可以填补间隔铺层间的空隙，填补铺层的偏置位移取为纤维带宽、纤维间隔、间隔铺层的偏置位移之和。2.如权利要求1所述的交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，其特征在于，参数化交织铺层复合材料层压板的单层网格包括加密区域和加粗区域，并且设计加密区域和加粗区域的过渡区域，过渡区域相对于加密区域网格密度在纵向和横向分别降低，加粗区域相对于过渡区域网格密度在纵向和横向分别降低。3.如权利要求1所述的交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，其特征在于，生成交织铺层复合材料层压板的三维模型后，从三维模型上不同的位置选取试样大小的模型，其微观结构会有不同，预测的性能也不同，借此准确模拟实际试验件中的微观结构偏差引起的性能发散性。4.交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，其特征在于，生成交织铺层复合材料层压板的三维模型后，通过统计每个单元节点处的总铺层厚度并与理论厚度相比较，得到每层铺层厚度的放大或缩小修正系数，调整每个节点处的单层厚度轮廓，以增大内部铺层的弯曲度使模型表面恢复平面，使得三维模型内部的弯曲特性更光滑，接近真实的铺层切面特征。5.如权利要求4所述的交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，其特征在于，参数化交织铺层复合材料层压板的单层网格包括加密区域和加粗区域，并且设计加密区域和加粗区域的过渡区域，过渡区域相对于加密区域网格密度在纵向和横向分别降低，加粗区域相对于过渡区域网格密度在纵向和横向分别降低。6.如权利要求4所述的交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，其特征在于，生成交织铺层复合材料层压板的三维模型后，从三维模型上不同的位置选取试样大小的模型，其微观结构会有不同，预测的性能也不同，借此准确模拟实际试验件中的微观结构偏差引起的性能发散性。

技术总结

交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法，其分析结果更接近真实的交织铺层复合材料层压板的特征。根据本发明实施例，交织铺层复合材料层压板的仿真分析方法包括多层网格生成，其中应用参数化交织铺层复合材料层压板的单层网格模型，并根据包括铺层顺序、纤维带带宽和铺层偏置的参数创建多层交织铺层的三维网格，其中，考虑纤维增强树脂基复合材料层压板在固化成型过程中存在铺层纤维带流动造成的局部单层厚度光滑变薄，为保证同方向的填补铺层可以填补间隔铺层间的空隙，填补铺层的偏置位移取为纤维带宽、纤维间隔、间隔铺层的偏置位移之和。位移之和。位移之和。