一种含制造缺陷的夹层结构建模方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及夹层结构有限元仿真分析领域，特别是涉及一种含制造缺陷的夹层结构建模方法、系统、设备及介质。

背景技术

夹层结构通常是指由厚度薄、刚度大的面板材料和密度小、厚度大的芯材通过粘接的方式组合而成的一个整体，具有比刚度高、比强度高、耐冲击和轻质等优点，目前已被广泛应用于航天、船舶、建筑、汽车、土木等领域。当前针对各类夹层结构的有限元分析，大多是基于理想模型，即不考虑结构中缺陷的存在。事实上，由于夹层结构在制备阶段受环境、制备工艺的限制会产生各类初始缺陷，且在运输和服役过程中环境和外力因素导致的结构缺陷也是不可避免的。缺陷的存在会显著降低夹层结构的刚度和强度，削弱结构的承载能力，极大威胁了结构使用安全与寿命，因此研究各类缺陷对夹层结构的影响尤为重要。

但目前，在夹层结构的传统建模方法中，关注的重点在于无缺陷理想模型的数值模拟，缺乏对夹层结构中制造缺陷的引入方法。实际上，对把制造缺陷引入到夹层结构有限元建模过程中，对夹层结构的优化设计、可重复使用评估具有重要意义。因此，面向工程中广泛应用的夹层结构，亟需开展面向夹层结构的制造缺陷建模方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种含制造缺陷的夹层结构建模方法、系统、设备及介质，以构建更加真实的夹层结构模型，解决目前对于夹层结构建模未引入制造缺陷的问题，为后续准确评价夹层结构的力学性能提供可靠的工具。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种含制造缺陷的夹层结构建模方法，包括：

对夹层结构工件进行缺陷检测，得到所述夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量；所述制造缺陷信息包括：制造缺陷的形貌、位置和大小；

获取所述夹层结构工件的结构尺寸信息，并根据所述结构尺寸信息对所述夹层结构工件进行有限元建模，得到夹层结构模型；所述结构尺寸信息包括：面板的尺寸、夹芯的结构和夹芯的尺寸；

根据所述制造缺陷信息和所述缺陷体积含量对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型；

对所述夹层结构模型和所述制造缺陷模型进行布尔运算，得到含制造缺陷的夹层结构模型。

可选地，对夹层结构工件进行缺陷检测，得到所述夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量，具体包括：

采用扫描电子显微镜检测法、红外热像无损检测法、X射线无损检测法或计算机断层扫描成像技术对夹层结构工件进行缺陷检测，得到所述夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量。

可选地，所述夹层结构工件由两层面板和位于面板中间的夹芯组成；所述夹芯的结构为：蜂窝结构或波纹板结构。

可选地，根据所述制造缺陷信息和所述缺陷体积含量对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型，具体包括：

根据所述制造缺陷信息中制造缺陷的形貌和大小确定制造缺陷几何体的形状和大小；

根据所述缺陷体积含量和所述制造缺陷信息中制造缺陷的大小确定制造缺陷几何体的总数；

根据所述制造缺陷几何体的形状、大小和总数以及所述制造缺陷信息中制造缺陷的位置对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型。

可选地，所述制造缺陷几何体的形状为：球体或多面体。

可选地，根据所述制造缺陷几何体的形状、大小和总数以及所述制造缺陷信息中制造缺陷的位置对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型，具体包括：

根据所述制造缺陷几何体的大小，随机在所述夹层结构模型的夹芯任意一个壁面内生成一个球形几何体；所述球形几何体的半径小于所述夹层结构工件的夹芯的壁厚和面板的壁厚；

根据所述制造缺陷几何体的形状，在所述球形几何体内确定一个制造缺陷几何体；其中，当所述制造缺陷几何体的形状为球体时，将所述球形几何体作为一个制造缺陷几何体；当所述制造缺陷几何体的形状为多面体时，在所述球形几何体的内部生成一个所有顶点均位于所述球形几何体表面的多面体作为一个制造缺陷几何体；

在所述夹层结构模型中确定所述壁面的坐标范围；

根据所述制造缺陷信息中制造缺陷的位置和所述坐标范围，在所述壁面内随机生成若干个不重叠的制造缺陷几何体；

根据所述制造缺陷几何体的总数，对所述壁面内的制造缺陷几何体进行坐标平移和旋转，使所述夹层结构模型的夹芯和面板的坐标范围内均有若干个制造缺陷几何体，得到制造缺陷模型。

可选地，对所述夹层结构模型和所述制造缺陷模型进行布尔运算，得到含制造缺陷的夹层结构模型，具体包括：

采用ABAQUS装配模块的布尔操作，在所述夹层结构模型中减去所述制造缺陷模型所占区域，得到含制造缺陷的夹层结构模型。

一种含制造缺陷的夹层结构建模系统，包括：

缺陷检测模块，用于对夹层结构工件进行缺陷检测，得到所述夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量；所述制造缺陷信息包括：制造缺陷的形貌、位置和大小；

第一建模模块，用于获取所述夹层结构工件的结构尺寸信息，并根据所述结构尺寸信息对所述夹层结构工件进行有限元建模，得到夹层结构模型；所述结构尺寸信息包括：面板的尺寸、夹芯的结构和夹芯的尺寸；

第二建模模块，用于根据所述制造缺陷信息和所述缺陷体积含量对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型；

布尔运算模块，用于对所述夹层结构模型和所述制造缺陷模型进行布尔运算，得到含制造缺陷的夹层结构模型。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的含制造缺陷的夹层结构建模方法。

一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的含制造缺陷的夹层结构建模方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的含制造缺陷的夹层结构建模方法，通过对夹层结构工件进行缺陷检测，得到夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量，以及获取夹层结构工件的结构尺寸信息，并以此对夹层结构工件及其内部的制造缺陷进行有限元建模，得到夹层结构模型和制造缺陷模型，最后通过对夹层结构模型和制造缺陷模型进行布尔运算，得到含制造缺陷的夹层结构模型，能够构建更加真实的夹层结构模型，解决目前对于夹层结构建模未引入制造缺陷的问题，为后续准确评价夹层结构的力学性能提供可靠的工具。采用本发明所构建的含制造缺陷的夹层结构模型更加贴合工程中实际使用的夹层结构，为含制造缺陷夹层结构的数值模拟研究提供了一种更有效的技术途径，有利于更加客观地评价夹层结构的性能机制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的含制造缺陷的夹层结构建模方法的流程图；

图2为本发明提供的含制造缺陷的夹层结构建模方法的具体流程图；

图3为本发明实施例蜂窝结构中制造缺陷分布图；

图4为本发明实施例蜂窝结构有限元模型示意图；

图5为本发明实施例球体缺陷分布于蜂窝芯的一个壁面内的示意图；

图6为本发明实施例球体缺陷分布于蜂窝芯的一个单胞内的示意图；

图7为本发明实施例含球体缺陷蜂窝芯结构示意图；

图8为本发明实施例含球体缺陷蜂窝夹层结构示意图。

符号说明：

球体缺陷-1，蜂窝芯-2，面板-3。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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，而不是全部的实施例。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。

本发明的目的是提供一种含制造缺陷的夹层结构建模方法、系统、设备及介质，以构建更加真实的夹层结构模型，解决目前对于夹层结构建模未引入制造缺陷的问题，为后续准确评价夹层结构的力学性能提供可靠的工具。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种含制造缺陷的夹层结构建模方法。如图1及图2所示，该方法包括：

步骤S1：对夹层结构工件进行缺陷检测，得到所述夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量；所述制造缺陷信息包括：制造缺陷的形貌、位置和大小。其中，所述夹层结构工件由两层薄面板和位于面板中间的夹芯组成；所述夹芯的结构为：蜂窝结构或波纹板结构，即所述夹层结构工件可以是蜂窝夹层结构、波纹板夹层结构等，以蜂窝夹层结构为例，则夹芯由正六边形结构规则有序排列而成。夹层结构的材料包括金属、复合材料等。

优选地，采用扫描电子显微镜检测法、红外热像无损检测法、X射线无损检测法或计算机断层扫描成像(Computed Tomography，CT)技术对夹层结构工件进行缺陷检测，得到所述夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量。

为了构建更加合理且接近真实结构的蜂窝夹层结构模型，本发明采用μ-CT技术对制备的蜂窝结构进行扫描，统计蜂窝结构中制造缺陷的分布规律和缺陷体积含量。

CT技术被广泛认为是一种高效且精准的工具，且不破坏检测结构。本发明中采用CT技术对夹层结构进行缺陷检测，包括以下步骤：(1)利用射线对夹层结构进行扫描，通过计算机处理生成多张不同灰度值的二维断面图像；(2)根据这些二维断面图像，通过计算机重构生成清晰直观的三维图像；(3)在三维图像中捕捉夹层结构中的制造缺陷，包括缺陷体积含量、缺陷分布位置和形状等，为定量化研究夹层结构中的缺陷特征提供强有力的数据支持。

步骤S2：获取所述夹层结构工件的结构尺寸信息，并根据所述结构尺寸信息对所述夹层结构工件进行有限元建模，得到完好夹层结构的有限元模型，即夹层结构模型；所述结构尺寸信息包括：面板的尺寸、夹芯的结构和夹芯的尺寸。

优选地，在ABAQUS中建立与所述夹层结构工件尺寸相同的有限元模型作为夹层结构模型。比如以蜂窝夹层结构为例，建立蜂窝芯边长为5mm、壁厚为0.4mm、高度为10mm，面板厚度为1.5mm的蜂窝夹层结构。

步骤S3：根据所述制造缺陷信息和所述缺陷体积含量对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型。

本发明面向夹层结构的缺陷构建方法是利用Python语言对ABAQUS进行二次开发，创建分布于夹层结构模型区域内的制造缺陷模型，满足以下要求：(1)相邻制造缺陷几何体不发生重叠且位于夹层结构芯子(即夹芯)内部区域；(2)根据夹层结构中制造缺陷几何体的分布位置，在夹层结构中不同芯子区域生成不同数量的制造孔隙；(3)夹层结构中生成制造缺陷几何体的总体积分数满足缺陷体积含量要求。

优选地，步骤S3具体包括：

步骤S3.1：根据所述制造缺陷信息中制造缺陷的形貌和大小确定制造缺陷几何体的形状和大小。

步骤S3.2：根据所述缺陷体积含量和所述制造缺陷信息中制造缺陷的大小确定制造缺陷几何体的总数。

具体地，根据缺陷体积含量确定制造缺陷几何体总个数。计算出夹层结构中制造缺陷的总体积，制造缺陷的总体积除以单个制造缺陷几何体的体积即为制造缺陷几何体的总个数。

步骤S3.3：根据所述制造缺陷几何体的形状、大小和总数以及所述制造缺陷信息中制造缺陷的位置对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型。其中，所述制造缺陷几何体的形状为：球体或多面体。所述多面体包括：四面体、八面体等。

进一步地，步骤S3.3具体包括：

步骤S3.3.1：根据所述制造缺陷几何体的大小，随机在所述夹层结构模型的夹芯任意一个壁面内生成一个球形几何体；所述球形几何体的半径小于所述夹层结构工件的夹芯的壁厚和面板的壁厚。

步骤S3.3.2：根据所述制造缺陷几何体的形状，在所述球形几何体内确定一个制造缺陷几何体；其中，当所述制造缺陷几何体的形状为球体时，将所述球形几何体作为一个制造缺陷几何体；当所述制造缺陷几何体的形状为多面体时，在所述球形几何体的内部生成一个所有顶点均位于所述球形几何体表面的多面体作为一个制造缺陷几何体。

步骤S3.3.3：在所述夹层结构模型中确定所述壁面的坐标范围。

步骤S3.3.4：根据所述制造缺陷信息中制造缺陷的位置和所述坐标范围，在所述壁面内随机生成若干个不重叠的制造缺陷几何体。

步骤S3.3.5：根据所述制造缺陷几何体的总数，对所述壁面内的制造缺陷几何体进行坐标平移和旋转，使所述夹层结构模型的夹芯和面板的坐标范围内均有若干个制造缺陷几何体，得到制造缺陷模型。

以制造缺陷几何体的形状为球体为例，创建制造缺陷模型的具体步骤如下：

(1)定义球形几何体的半径R，随机在球心为(X

(2)确定夹芯中一个壁面的坐标范围，限制随机生成几何体体心的坐标范围，实现几何体体心在一个壁内。

(3)进行干涉检查。由于几何体位置在壁内是完全随机的，当几何体数量多的时候，会产生重叠。因此每生成一个新几何体，需要检查它与前面已生成的几何体是否产生干涉，保证每个几何体独立无相交。此时，可以实现夹芯中一个壁面内产生随机几何体。

(4)对一个壁面上的小球进行坐标平移和旋转，可实现随机几何体的位置位于夹芯结构的其他壁面及面板内，每个壁面及面板内几何体个数可根据CT图像获取的缺陷体积含量确定。

其中，判断新生成缺陷几何体和前面已生成缺陷几何体的干涉条件为：

式中，下标i+1代表新生成缺陷几何体，下标i代表前一个缺陷几何体，(x,y,z)为缺陷几何体的球心坐标。

步骤S4：对所述夹层结构模型和所述制造缺陷模型进行布尔运算，得到含制造缺陷的夹层结构模型。

优选地，采用ABAQUS装配模块的布尔操作，在所述夹层结构模型中减去所述制造缺陷模型所占区域，得到含制造缺陷的夹层结构模型。

下面提供一个具体实施例，以对本发明进行进一步详细的说明。

以蜂窝夹层结构为例，即夹芯是由正六边形结构规则有序排列而成。为了构建更加合理且接近真实结构的蜂窝夹层结构模型，首先，采用μ-CT技术对制备的蜂窝结构进行扫描，统计蜂窝结构中制造缺陷的分布规律和缺陷体积含量。图3展示了蜂窝结构中制造缺陷分布图。如图3所示，此蜂窝芯边长为5mm，壁厚为0.4mm，高度为10mm。

利用Python语言对ABAQUS进行二次开发，创建分布于蜂窝夹层结构模型区域内的制造缺陷模型，此处将制造缺陷几何体近似为球体，满足以下要求：(1)相邻球体不发生重叠且位于蜂窝夹层结构模型区域内；(2)根据蜂窝夹层结构中球体缺陷的分布位置，在结构中不同区域生成不同数量的球体缺陷；(3)蜂窝夹层结构中生成球体缺陷的总体积分数满足缺陷体积含量要求。

如图4至图7所示，创建制造缺陷模型的具体步骤如下：

(1)定义球形几何体的半径R＝0.15，随机在球心为(0,0,0)的位置生成一个小球。

(2)确定蜂窝芯中一个壁面的坐标范围，限制随机生成球心的坐标范围，实现球体缺陷1的球心在蜂窝芯的一个壁内，参见图4。

(3)进行干涉检查。由于球体位置在壁内是完全随机，当球体数量多的时候，会产生重叠球体。因此每生成一个新球体，需要检查它与前面已生成的球体是否产生干涉，保证每个球体独立无相交。此时，可以实现夹芯中一个壁面内有随机小球，参见图5，虚线圈中的区域为一个壁面。

(4)对一个壁面上的小球进行坐标平移和旋转，可实现随机小球的位置位于蜂窝结构中的一个单胞内(参见图6，虚线圈中由六个壁面围合而成的区域为一个单胞)和面板内，单胞的每个壁面和面板内球体缺陷的个数可根据CT图像获取的缺陷体积含量确定。

(5)对生成在一个单胞内的球体缺陷进行向量平移，可实现球体缺陷分布于蜂窝芯中，参见图7。

最后，采用ABAQUS装配模块的布尔操作，在所建立的蜂窝夹层结构中减去球体缺陷所占区域，剩余的区域即为所需含球体缺陷蜂窝夹层结构，参见图8，其中蜂窝芯2和面板3内均有若干个球体缺陷1。至此，完成了含球体缺陷蜂窝夹层结构模型的建立过程。

综上所述，本发明提供了一种考虑制造缺陷的夹层结构精细化建模方法，其构建的含制造缺陷夹层结构贴合工程中实际使用的夹层结构，为含制造缺陷夹层结构的数值模拟研究提供了一种更有效的技术途径，以客观评价夹层结构的性能机制。

为了执行上述方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种含制造缺陷的夹层结构建模系统，包括：

缺陷检测模块，用于对夹层结构工件进行缺陷检测，得到所述夹层结构工件的制造缺陷信息和缺陷体积含量；所述制造缺陷信息包括：制造缺陷的形貌、位置和大小。

第一建模模块，用于获取所述夹层结构工件的结构尺寸信息，并根据所述结构尺寸信息对所述夹层结构工件进行有限元建模，得到夹层结构模型；所述结构尺寸信息包括：面板的尺寸、夹芯的结构和夹芯的尺寸。

第二建模模块，用于根据所述制造缺陷信息和所述缺陷体积含量对所述夹层结构工件内部的制造缺陷进行有限元建模，得到制造缺陷模型。

布尔运算模块，用于对所述夹层结构模型和所述制造缺陷模型进行布尔运算，得到含制造缺陷的夹层结构模型。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，该存储器用于存储计算机程序，该处理器用于运行计算机程序以使电子设备执行上述的含制造缺陷的夹层结构建模方法。所述电子设备可以是服务器。

另外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的含制造缺陷的夹层结构建模方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。