一种含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法

技术领域

本申请属于结构强度技术领域，特别涉及一种含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法。

背景技术

复合材料已经广泛应用于各行各业，复合材料圆筒更是工业界普遍使用的一种结构，比如输油管道，喷管等。利用现代计算机技术数值模拟分析复合材料圆筒，建立参数化有限元模型，通过数值分析得出最优铺层角度以及缺陷对复合材料圆筒承压的影响，这样在满足结构强度要求的前提下，可以减轻结构重量，对设计人员有着很直观的效果和指导意义。现有技术中还尚未有含缺陷层合板圆筒参数化模型的建模方法。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法，包括：

步骤一、对层合板圆筒进行归一化处理，将层合板缺陷限定在所述层合板圆筒的一个单元内；

步骤二、对层合板圆筒的半径和长度进行参数化；

步骤三、对层合板圆筒的层合板物性参数、层数、铺层方向、单层厚度进行参数化；

步骤四、确定层合板缺陷物性参数；

步骤五、构建含缺陷层合板圆筒的有限元模型。

可选地，还包括：

步骤六、根据含缺陷层合板圆筒的有限元模型生成Nastran卡片数据；

步骤七、将Nastran卡片数据输出文本文件读入Nastran进行有限元分析得到Nastran计算结果文件；

步骤八、将Nastran计算结果文件读入Patran平台进行显示。

可选地，步骤一中，所述对层合板圆筒进行归一化处理，将层合板缺陷限定在所述层合板圆筒的一个单元内包括：

S101、确定层合板圆筒的周向剖分数N以及轴向剖分数M；

S102、将所述层合板圆筒剖分为N*M个单元；

S103、定义所述层合板缺陷位于所述层合板圆筒周向的第I个单元，轴向的第J个单元，其中，1≤I≤N，1≤J≤M，且I和J均为整数。

可选地，S103中，将层合板缺陷限定在所述层合板圆筒中部的一个单元内，其中，定义I＝(N+1)/2，J＝1。

可选地，步骤一中，所述层合板缺陷为纤维断裂、基体断裂、纤维和基体同时断裂以及穿透裂纹中的一种模式。

可选地，步骤二中，所述对层合板圆筒的半径和长度进行参数化包括：

定义所述层合板圆筒的半径为R，长度为L，其中，

所述层合板圆筒的半径R定义为使得所述层合板圆筒上每个剖分单元的张角θ对应的弦长等于层合板缺陷的宽度b，张角θ＝360/N；

所述层合板圆筒的长度L定义为L＝Ma，a为层合板缺陷的长度。

可选地，M＝21。

可选地，步骤三中，所述层合板圆筒的层合板物性参数包括弹性模量、泊松比、剪切模量、密度、拉伸强度、剪切强度以及剪切极限。

可选地，步骤四中，所述确定层合板缺陷物性参数包括：

通过复合材料最外层拉伸模量取值接近于零来模拟纤维断裂；

通过层合板最外层拉伸模量取值接近于零来模拟基体断裂；

通过复合材料最外层拉伸模量取值接近于零，且层合板最外层拉伸模量取值接近于零来模拟纤维和基体同时断裂；

通过删除裂纹处的单元来模拟穿透裂纹。

可选地，所述步骤五中，所述构建含缺陷层合板圆筒的有限元模型包括：

S501、读取层合板物性参数；

S502、

读取层合板圆筒的半径R及周向剖分数N；

读取层合板圆筒的长度L及轴向剖分数M；

S503、设置层合板缺陷的周向单元位置的步长递进关系I＝I+1；

S504、设置层合板缺陷的轴向单元位置的步长递进关系J＝J+1；

S505、计算有限元节点坐标，并生成有限元单元信息；

S506、判断是否满足I＝(N+1)/2，J＝1；

若是，确定层合板缺陷类型，输出有限元数据；

若否，进入步骤S507；

S507、判断是否满足J

若是，进入步骤S508；

若否，返回步骤S504；

S508、判断是否满足I

若是，输出有限元数据；

若否，返回步骤S503。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法，能够实现含缺陷层合板圆筒参数化模型的快速建立，该方法物理概念明晰、操作方法简单、实施效果良好。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的层合板圆筒轴向视图；

图2是本申请一个实施方式的层合板圆筒示意图；

图3是本申请一个实施方式的层合板圆筒有限元模型建立流程图；

图4是本申请一个实施方式的层合板圆筒有限元模型输出结果示意图；

图5是本申请一个实施方式的含缺陷层合板圆筒有限元模型示意图；

图6是本申请一个实施方式的含缺陷层合板第9层应力计算云图；

图7是本申请一个实施方式的含缺陷层合板第16层应力计算云图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图7对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法，包括以下步骤：

步骤一、对层合板圆筒进行归一化处理，将层合板缺陷限定在层合板圆筒的一个单元内；

步骤二、对层合板圆筒的半径和长度进行参数化；

步骤三、对层合板圆筒的层合板物性参数、层数、铺层方向、单层厚度进行参数化；

步骤四、确定层合板缺陷物性参数；

步骤五、构建含缺陷层合板圆筒的有限元模型。

进一步包括：

步骤六、根据含缺陷层合板圆筒的有限元模型生成Nastran卡片数据；

步骤七、将Nastran卡片数据输出文本文件读入Nastran进行有限元分析得到Nastran计算结果文件；

步骤八、将Nastran计算结果文件读入Patran平台进行显示。

本申请的含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法，步骤一中，对层合板圆筒进行归一化处理，将层合板缺陷限定在一个单元内包括：

S101、确定层合板圆筒的周向剖分数N以及轴向剖分数M；

S102、将层合板圆筒剖分为N*M个单元；

S103、定义层合板缺陷位于层合板圆筒周向的第I个单元，轴向的第J个单元，其中，1≤I≤N，1≤J≤M，且I和J均为整数。

在本申请的一个实施方式中，层合板缺陷可以是纤维断裂、基体断裂、纤维和基体同时断裂以及穿透裂纹中的一种模式。

有利的是，本实施例S103中，将层合板缺陷限定在层合板圆筒中部的一个单元内，其中，定义I＝(N+1)/2，J＝1。

在对层合板圆筒进行归一化处理后，可以根据层合板缺陷的长度a和宽度b对层合板圆筒的半径和长度进行参数化，包括：

定义层合板圆筒的半径为R，长度为L，其中，

层合板圆筒的半径R定义为使得层合板圆筒上每个剖分单元的张角θ对应的弦长等于层合板缺陷的宽度b，张角θ＝360/N；

即当张角θ和层合板缺陷的宽度b确定后就可以确定层合板圆筒的半径R；

层合板圆筒的长度L定义为L＝Ma，a为层合板缺陷的长度。

有利的是，本实施例中，定义层合板圆筒的长度为L＝21a，即M＝21。层合板圆筒的长度L为层合板缺陷长度a的21倍，如此当对层合板圆筒连段约束进行计算时可以消除边界效应。

本实施例步骤三中，层合板圆筒的层合板物性参数可以包括弹性模量、泊松比、剪切模量、密度、拉伸强度、剪切强度以及剪切极限。

在步骤四中，确定层合板缺陷物性参数包括：

通过复合材料最外层拉伸模量取值接近于零来模拟纤维断裂；

通过层合板最外层拉伸模量取值接近于零来模拟基体断裂；

通过复合材料最外层拉伸模量取值接近于零，且层合板最外层拉伸模量取值接近于零来模拟纤维和基体同时断裂；

通过删除裂纹处的单元来模拟穿透裂纹。

本申请的含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法，构建含缺陷层合板圆筒的有限元模型的过程包括以下步骤：

S501、读取层合板物性参数；

S502、

读取层合板圆筒的半径R及周向剖分数N；

读取层合板圆筒的长度L及轴向剖分数M；

S503、设置层合板缺陷的周向单元位置的步长递进关系I＝I+1；

S504、设置层合板缺陷的轴向单元位置的步长递进关系J＝J+1；

S505、计算有限元节点坐标，并生成有限元单元信息；

S506、判断是否满足I＝(N+1)/2，J＝1；

若是，确定层合板缺陷类型，输出有限元数据；

若否，进入步骤S507；

S507、判断是否满足J

若是，进入步骤S508；

若否，返回步骤S504；

S508、判断是否满足I

若是，输出有限元数据；

若否，返回步骤S503。

以下结合一个具体实施例，对本申请的含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法做进一步的说明：

首先，如图1-2所示，首先确定层合板圆筒的周向剖分数N以及轴向剖分数M，将层合板圆筒剖分为N*M个单元，定义层合板缺陷位置在层合板圆筒中部的一个单元内，其中，I＝(N+1)/2，J＝1；

其次，对层合板圆筒的半径R和长度L进行参数化。对层合板圆筒半径R和长度L参数化，可以确定层合板圆筒几何尺寸，当层合板缺陷是长度为a厘米，宽度为b厘米的矩形时，设置层合板圆筒的长度L为缺陷长度a的21倍，如此当对层合板圆筒连段约束进行计算时可以消除边界效应，即定义层合板圆筒的轴向剖分数M＝21；

进一步，对层合板物性参数、层数、铺层方向、单层厚度参数化。其中，对层合板物性参数参数化，如表1所示，对层合板圆筒的层数、铺层方向、单层厚度参数化，如表2所示。

表1层合板物性参数

表2层合板圆筒的层数、铺层角参数和单层厚度

然后，确定层合板缺陷物性参数。本申请中层合板缺陷可以包括纤维断裂、基体断裂、纤维和基体同时断裂以及穿透裂纹四种情况。本实施例中，其物性参数确定方法为：采用复合材料最外层拉伸模量11取值接近于零的数值以模拟纤维断裂；采用层合板最外层拉伸模量12取接近于零的数值以模拟基体断裂，采用复合材料最外层拉伸模量11取值接近于零，同时采用层合板最外层拉伸模量12取接近于零的以模拟纤维断裂和基体断裂；采用把裂纹处的单元删除则可以模拟穿透裂纹。

通过上述数据构建含缺陷层合板圆筒的有限元模型，如图3所示，包括以下步骤：

S501、读取层合板物性参数；

S502、

读取层合板圆筒的半径R及周向剖分数N；

读取层合板圆筒的长度L及轴向剖分数M；

S503、设置层合板缺陷的周向单元位置的步长递进关系I＝I+1；

S504、设置层合板缺陷的轴向单元位置的步长递进关系J＝J+1；

S505、计算有限元节点坐标，并生成有限元单元信息；

S506、判断是否满足I＝(N+1)/2，J＝1；

若是，确定层合板缺陷类型，输出有限元数据；

若否，进入步骤S507；

S507、判断是否满足J

若是，进入步骤S508；

若否，返回步骤S504；

S508、判断是否满足I

若是，输出有限元数据；

若否，返回步骤S503。

进一步，还可以将有限元数据通过数学编程形成Nastran卡片数据，以Nastran卡片数据输出文本文件，如图4所示。

最后，将Nastran卡片数据输出文本文件读入Patran平台进行显示，如图5所示，图5中没有线束处缺陷位置，原因在于层合板有限元模型是一种特殊的单元，只有在计算结果中才能体现出缺陷的存在，如图6-图7所示。

本申请的含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立方法，首先采用归一化方法，把层合板缺陷限定于一个单元之中，然后给定层合板圆筒的半径和长度，确定一个圆筒的几何尺寸，给定层合板的物性参数、层数、铺层角和单层厚度从而完全确定了层合板圆筒的几何尺寸，层合板缺陷包括纤维断裂、基体断裂、纤维和基体同时断裂以及穿透裂纹四种情况，采用不同的物性参数模拟对应的层合板缺陷，实现了含缺陷层合板圆筒参数化模型快速建立，本申请物理概念明晰、操作方法简单、实施效果良好。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。