一种轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的铺层建模方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，提供了一种轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的铺层建模方法。

背景技术

轻质刚性芯膜复合材料夹层结构是一种新型夹层结构，其芯层由轻质刚性芯膜替换原传统的蜂窝或泡沫，轻质刚性芯膜相比于蜂窝和泡沫，具有可与复合材料内/外蒙皮一起层层铺叠、一次共固化成型的特点，同时具有固化后刚度好、强度高、厚度保持等优点，在航空复材结构低成本和快速制造领域具有极大的优势。

轻质刚性芯膜复合材料夹层结构受力原理与传统夹层结构相似：均为内/外蒙皮主要承受面内载荷和弯矩、芯材主要承受剪切载荷。但相比常用的蜂窝和泡沫，轻质刚性芯膜密度较大，同时铺贴厚度过大也会导致材料成本和生产效率增加，综合考虑性能、成本、效能等，一般轻质刚性芯膜复合材料夹层结构厚度不超过10mm，芯层厚度不大于6mm。而轻质刚性芯膜固化后为实心结构，因此此类夹层结构无传统夹层结构典型的面板皱曲、剪切皱折、芯格屈曲等破坏方式，其设计又具有厚层合板的特点。已有的层合板结构设计方法和传统夹层结构设计方法均无法很好的应用于轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的设计，为了更好的将此类夹层结构推广应用到具有低成本和快速制造需求的航空结构中，轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的设计方法研究亟待解决。

发明内容

发明目的：提供一种轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的建模方法，可快速获取面板铺层和芯膜层数，有效提高设计质量，缩短设计周期。

技术方案：

提供一种轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的铺层建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、有限元建模

对采用轻质刚性芯膜复合材料夹层的结构进行三维壳单元有限元建模得到有限元模型，施加总体载荷和局部面外载荷，定义线性静力分析工况；

步骤二、单元内力提取

在所述有限元模型中定义壳单元内力输出请求，提交求解器进行分析，分析完成后分别查看有限元模型的内力，并记录内力的极值；

步骤三、面板铺层设置

以内力极值为输入，确定面板厚度和铺层比例，完成面板铺层顺序设置；

步骤四、面外刚度需求

在有限元模型中建立复合材料面板铺层属性并附在壳单元上，在原线性静力分析工况中增加位移输出请求，并增加线性屈曲分析工况，用于面外刚度需求评估；

步骤五、芯膜层数设计

通过在复合材料面板铺层属性中逐层增加芯膜层数并分析，当结构最大变形满足设计要求同时临界屈曲因子大于1.5，则获得轻质刚性芯膜复合材料夹层结构铺层模型；

步骤六、强度校核

对步骤五获得的轻质刚性芯膜复合材料夹层结构铺层模型进行强度校核。

进一步的，步骤1中，得到有限元模型后，清理在建模中生成的周边骨架约束条件。

进一步的，步骤三中面板铺层顺序依据工程经验和设计准则实施。

进一步的，步骤三中确定面板厚度和铺层比例通过复合材料准网格设计法或约束应变的优化设计方法。

进一步的，步骤四中，线性屈曲分析工况采用有限元屈曲分析或工程公式屈曲分析。

进一步的，步骤五中逐层增加时每次增加的层数不超过两层。

进一步的，步骤一中三维壳单元由HyperMesh自动生成四边形单元，包含了网格划分的各节点坐标信息和单元坐标信息。

技术效果：

本发明结合了传统层合板设计方法及传统夹层结构受力原理，采用了有限元建模－单元内力提取－面板铺层设计—面外刚度需求－芯膜层数设计－强度校核6个串联式顺序设计步骤，详细阐述了利用有限元模型分步进行轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的面板铺层设计和芯膜层数设计的方法，可有效提高设计质量，缩短设计周期。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。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。

提供一种轻质刚性芯膜复合材料夹层结构的铺层建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、有限元建模

对采用轻质刚性芯膜复合材料夹层的结构进行三维壳单元有限元建模得到有限元模型，施加总体载荷和局部面外载荷，定义线性静力分析工况；

步骤二、单元内力提取

在所述有限元模型中定义壳单元内力输出请求，提交求解器进行分析，分析完成后分别查看有限元模型的内力，并记录内力的极值；

步骤三、面板铺层设置

以内力极值为输入，确定面板厚度和铺层比例，完成面板铺层顺序设置；

步骤四、面外刚度需求

在有限元模型中建立复合材料面板铺层属性并附在壳单元上，在原线性静力分析工况中增加位移输出请求，并增加线性屈曲分析工况，用于面外刚度需求评估；

步骤五、芯膜层数设计

通过在复合材料面板铺层属性中逐层增加芯膜层数并分析，当结构最大变形满足设计要求同时临界屈曲因子大于1.5，则获得轻质刚性芯膜复合材料夹层结构铺层模型；

步骤六、强度校核

对步骤五获得的轻质刚性芯膜复合材料夹层结构铺层模型进行强度校核。

进一步的，步骤1中，得到有限元模型后，清理在建模中生成的周边骨架约束条件。

进一步的，步骤三中面板铺层顺序依据工程经验和设计准则实施。

进一步的，步骤三中确定面板厚度和铺层比例，是通过采用复合材料准网格设计法或约束应变的优化设计方法。

进一步的，步骤四中，线性屈曲分析工况采用有限元屈曲分析或工程公式屈曲分析。

进一步的，步骤五中逐层增加时每次增加的层数不超过两层。

进一步的，步骤一中三维壳单元由HyperMesh自动生成四边形单元，包含了网格划分的各节点坐标信息和单元坐标信息。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。