(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911146368.8
(22)申请日 2019.11.21
(71)申请人 北京航空航天大学
地址 100191 北京市海淀区学院路37号
(72)发明人 李敏 魏汉青 顾轶卓 王绍凯
(74)专利代理机构 北京航智知识产权代理事务
所(普通合伙) 11668
代理人 陈磊 张桢
(51)Int.Cl.
G06F 30/23(2020.01)
B32B 38/18(2006.01)
G06F 119/14(2020.01)
G06F 113/26(2020.01)
(54)发明名称
建模及分析方法
(57)摘要
本发明公开了一种交织与层压混合铺层复
合材料层压板建模和分析方法，包括步骤：设计
交织与层压混合铺层结构；生成基础层压铺层模
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；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。本发明根据铺层参数自动生成多种交织
与层压混合铺层的复合材料层压板模型，可以指
导不同载荷条件下复合材料层压板层间性能薄
弱环节的交织铺层结构混合设计，并可以预测这
种混合结构对复合材料层压板的强化效果，包括
层间性能，
抗弯性能和抗冲击性能等。权利要求书2页 说明书6页 附图5页CN 110826284 A 2020.02.21
C N 110826284
A
1.一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模和分析方法，其特征在于，包括步骤：
S1：设计交织与层压混合铺层结构
S11：根据载荷和工况，设计复合材料层压板中的交织铺层的铺放位置和交织方式，以及交织铺层和层压铺层的混合比例；
S12：根据复合材料层压板的厚度要求，设计交织铺层和层压铺层各自的铺层角度、铺层数量和铺层顺序，以及交织铺层中纤维带带宽和纤维带间隔；
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
S21：建立网格单胞单元并根据铺层角度参数化网格单胞单元，分别建立具有不同铺层角度的层压铺层单层网格单元和交织铺层单层网格单元；
S22：基于步骤S21中创建的层压铺层单层网格单元，在输入文件中输入每根纤维带的长、宽和相对几何位置，生成基础层压铺层模型，所述基础层压铺层模型的数量与层压铺层的铺层角度的数量对应；
S23：基于步骤S21中创建的交织铺层单层网格单元，并根据步骤S1中所设计的交织铺层的铺放位置和铺层角度以及纤维带带宽和纤维带间隔，生成具有不同交织类型的基础交织铺层模型；
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；
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。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S11中，将交织铺层布置在复合材料层压板的层间性能薄弱位置，将层压铺层布置在承担面内载荷的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S23中，基础交织铺层模型的交织类型包括全部通过对间隔铺层进行填补形成连续交织层，不同铺层角度的间隔铺层与填补铺层在空间上铺平整个结构，形成
连续交织铺层结构，并且铺层角度和铺层顺序匹配，实现基础交织铺层模型的厚度均匀。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S23中，基础交织铺层模型的交织类型包括通过连续的复合材料单层将间隔铺层与填补铺层交织起来，形成厚度均匀的基础交织铺层模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3包括将基础层压铺层模型和基础交织铺层模型按照铺层角度进行归类，然后按照铺层结构设计排列组合基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，叠合建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型包括单向或多向复合材料层压板3D模型、交织铺层复合材料层压板3D模型和交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，对所建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型中的每根纤维带和各个铺层进行材料属性设置，实现多向层压板、单向层压板、交织铺层、混杂纤维铺层中的一种或任意组合的多种形式混合的复合材料层压板结构。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4具体过程如下：
S41：将参数化建模工具生成的模型文件导入有限元求解软件中，对建立的交织与层压混合铺层复合材
料层压板3D模型的边界和加载条件、运行控制条件进行设置；
S42：运行交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型，获取对应的应力-应变曲线和损伤云图；
S43：结合梁、经典层压板理论，以及实验测试结果，对步骤S42中的仿真结果进行有效性和误差评价。
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
技术领域
[0001]本发明属于复合材料结构建模领域，特别涉及一种自动生成交织与层压混合铺层复合材料层压板3D有限元模型以及分析方法，用于预测交织铺层与层压铺层混合后对复合材料层压板的强化作用。
背景技术
[0002]纤维增强复合材料优异的力学性能主要集中在其轴向方向，而纤维与树脂之间弱的界面结合力和树脂固有的脆性，使得复合材料层压板的层间性能较差。在压缩、弯曲及冲击等载荷作用下，复合材料层压板层间容易产生裂纹并且裂纹会沿着层间扩展，导致面内强度、刚度性能的下降，甚至引起层压板整体结构的破坏。复合材料层压板层间性能差，这在很大程度上限制了复合材料在汽车、飞机、轮船等的关键部位的使用。
[0003]为了提高复合材料的层间性能，科研人员在20世纪80年代研发出了三维(3D)纺织复合材料，并随着2D纺织技术、树脂传递模塑技术、复合材料虚拟制造和考核验证技术的不断成熟，3D机织产品也随之在航空航空制件中得到广泛应用。然而，纤维编织会额外引入纤维褶皱和弯曲，抗剪能力受到纱线交织点之间的摩擦力的限制等问题，降低了整个复合材料的力学性能。
[0004]实验证明将传统的2D铺层结构发展到2.5D交织铺层结构能够大幅度提高复合材料的层间性能与抗冲击强度。此外，交织铺层是在自动铺丝铺带技术上发展起来的一种新型工艺，该工艺通过铺层交错铺放实现不同方向的铺层在空间的交织，使每层有两种以上不同方向的铺层，在厚度方向实现纤维增强，显著提高复合材料的抗分层能力，因此其在航空发动机的冷端风扇叶片、包容机匣等结构上有着广阔的应用前景。
[0005]然而，交织铺层结构虽然可以显著提高铺层复合材料的面外性能，但却降低了复合材料的面内性能，特别是面内压缩性能。因此在如何实现复合材料铺层结构层间性能强化的基础上，保证其面内性能不降低是目前急需并涵待解决的问题。此外，交织铺层的纤维带带宽、纤维带间隔、铺层厚度、铺层顺序、交织位置等都会对铺层性能产生影响。同时，交织铺层的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，这对复合材料铺层结构的有限元建模和分析技术也提出了新的挑战。
发明内容
[0006]为此，本发明在考虑铺层参数和细节结构影响的基础上，采用参数化建模工具自动生成新型高性能铺层复合材料层压板模型，指导不同载荷条件下复合材料层压板层间性能薄弱环节的交织铺层结构混合设计，并预测这种混合结构对复合材料层压板的强化效果，包括层间性能，抗弯性能和抗冲击性能等。
[0007]本发明提供了一种交织与层压混合铺层复合材料层压板建模和分析方法，包括步骤：
[0008]S1：设计交织与层压混合铺层结构
[0009]S11：根据载荷和工况，设计复合材料层压板中的交织铺层的铺放位置和交织方式，以及交织铺层和层压铺层的混合比例；
[0010]S12：根据复合材料层压板的厚度要求，设计交织铺层和层压铺层各自的铺层角度、铺层数量和铺层顺序，以及交织铺层中纤维带带宽和纤维带间隔等参数；
[0011]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
[0012]S21：建立网格单胞单元并根据铺层角度参数化网格单胞单元，分别建立具有不同铺层角度的层压铺层单层网格单元和交织铺层单层网格单元；
[0013]S22：基于步骤S21中创建的层压铺层单层网格单元，在输入文件中输入每根纤维带的长、宽和相对几何位置等参数，生成基础层压铺层模型，所述基础层压铺层模型的数量与层压铺层的铺层角度的数量对应；
[0014]S23：基于步骤S21中创建的交织铺层单层网格单元，并根据步骤S1中所设计的交织铺层的铺放位置和铺层角度以及纤维带带宽和纤维带间隔等参数，生成具有不同交织类型的基础交织铺层模型；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]在一些实施方式中，可以将交织铺层布置在复合材料层压板的层间性能薄弱位置，将层压铺层布置在承担面内载荷的位置。
[0018]在一些实施方式中，基础交织铺层模型的交织类型可以包括全部通过对间隔铺层进行填补形成连续交织层，不同铺层角度的间隔铺层与填补铺层在空间上铺平整个结构，形成连续交织铺层结构，并且铺层角度和铺层顺序匹配，实现基础交织铺层模型的厚度均匀。
[0019]在一些实施方式中，步骤S23中，基础交织铺层模型的交织类型可以包括通过连续的复合材料单层将间隔铺层与填补铺层交织起来，形成厚度均匀的交织铺层结构，并与层压铺层进行混合。
[0020]在一些实施方式中，步骤S3可以包括将基础层压铺层模型和基础交织铺层模型按照铺层角度进行归类，然后按照铺层结构设计排列组合基础层压铺层模型和基础交织铺层模型，叠合多种铺层结构建立交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。
[0021]在一些实施方式中，所述交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型可以包括单向或多向复合材料层压板3D模型、交织铺层复合材料层压板3D模型和交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型。
[0022]进一步，步骤S4中，对所建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型中的每根纤维带和各个铺层进行材料属性设置，实现多向层压板、单向层压板、交织铺层、混杂纤维铺层中的一种或任意组合的多种形式混合的复合材料层压板结构。
[0023]进一步，步骤S4具体过程如下：
[0024]S41：对建立的交织与层压混合铺层复合材料层压板3D模型的边界和加载条件、运
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