一种复合材料厚层压板接头有限元建模方法

技术领域

本发明属于航空领域复合材料结构有限元建模技术，涉及到一种复合材料厚层压板接头有限元建模方法。

背景技术

对复合材料厚层压板接头进行强度分析，需对其进行有限元建模。若采用壳元或单层实体元建模，仅能获取其面内应力状态，无法对复合材料结构层间关系进行模拟，并获取每一铺层的应力状态；若采用每一铺层划分一层实体元的方法，虽然可以得到厚度方向的应力梯度变化，但是该建模方法不适用于工程计算，因为通常复合材料结构铺层较多，应用该方法建模会导致网格数过多，导致计算效率低下、不利于迭代求解的问题。

发明内容

发明目的：提出一种复合材料厚层压板接头有限元建模方法，解决建模会导致网格数过多，导致计算效率低下、不利于迭代求解的问题

技术方案：

一种复合材料厚层压板接头有限元建模方法，其特征在于，包括：

获取复合材料厚层压板接头的实体结构模型；

视结构预估的应力集中程度以及结构重要程度，沿铺层厚度方向分割实体结构模型为多切割层，其中，对应力集中程度高和结构重要程度高的部位进行精细划分；对应力集中程度低和结构重要程度低的部位进行粗划分；

在层面内方向切割实体结构模型，分割出的模型都具有规则形状的结构；

选取刚性连接模拟复合材料厚层压板接头内各铺层的连接关系；

对二次切割的实体结构模型划分网格单元，赋予材料属性。

在每层面内方向切割实体结构模型，分割出的模型都具有规则形状的结构之后，所述方法还包括：

选取cohesive单元进行胶层模拟复合材料厚层压板接头内各铺层的连接关系；

对二次切割的实体结构模型划分网格单元，赋予材料属性。

视结构预估的应力集中程度以及结构重要程度，沿铺层厚度方向分割实体结构模型为多切割层，包括：

将连续同一材料的铺层作为一新层；

在应力集中程度高和结构重要程度高的部位以x层铺层沿铺层厚度方向分割新层；

在应力集中程度低和结构重要程度低的部位以y层铺层沿铺层厚度方向分割或划归新层；y大于x。

在层面内方向切割实体结构模型，分割出的模型都具有规则形状的结构，包括：

将实体结构模型分为板模型和耳片模型；

对板模型在面内方向划分为规则网格；

从耳孔边起始，切割至边缘交线处，使每一分割后的耳片模型在面内方向呈规则形状。

复合材料铺层为对称铺层，实体结构模型的切割沿对称轴对称。

规则形状包括三边形、四边形、五变形、六边形。

所述方法还包括：

以复合材料厚层压板接头为研究对象，将研究对象导入有限元软件，或在有限元软件中建立结构模型，该模型应为实体结构模型。

一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现上述方法。

有益效果：

本发明建立一种复合材料厚层压板接头有限元建模方法，在能够满足工程化应用的前提下，可以模拟沿厚度方向层间的强度关系并获取单层的应力状态。该方法根据应力集中程度、结构重要性的不同，对不同部位的结构分别沿厚度方向将多个铺层划分为一个子层板，不同部位子层板厚度、数量不尽相同。层压板面内方向的网格按结构样式切割划分成规则网格。该方法在降低网格数量、提高计算效率的同时，对重点关注部位保留了较高的精度，提高了有限元模型的准确性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实体结构模型的结构示意图；

图3为厚度方向网格的划分的示意图；

图4为面内方向网格的划分的示意图；

图5为本发明提供方法建立的模型的示意图。

具体实施方式

本发明技术方案，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：本发明有限元建模方法需采用具有实体单元建模能力的有限元软件，此处以有限元建模软件abaqus为例。将研究对象的复合材料层压板结构模型导入有限元软件，或在有限元软件中建立结构模型，该模型应为实体结构模型如图1所示。

步骤2：沿铺层厚度方向分割实体结构模型如图2所示。若结构由多种不同的复合材料铺贴而成(如表层玻璃布、织物、单向带等)，首先在不同材料的分界面上分割实体模型。然后，视结构预估的应力集中程度以及结构重要程度，对较为关键的部位进行精细划分，可选择若干实际铺层划分为一层(该实际铺层数由计算机计算效率的高低以及对结构的关心程度决定，计算效率越高、关心程度越高则选取的实际铺层数可以越少)，在结构上对应厚度的位置分割实体结构模型。最后，对关键程度较低的部位分割实体结构模型，同样选取若干实际铺层划分为一层，为提高计算效率，此处选取的实际铺层数可较关键程度较高的部位更多。通常，复合材料铺层为对称铺层，要注意实体结构模型的切割也应沿对称轴对称。

通常来说，连续的表层材料及连续的织物层数较少，若其连续层数小于等于5层，可选择将该铺层在实体结构模型中划分为一层；若其连续层数大于5层，可选择将该铺层在实体结构模型中划分为复数层。对于单向带结构，通常连续的层数较多，对于其划分，应视结构预估的应力集中程度以及结构重要程度，对较为关键的部位进行精细划分，可选择若干实际铺层划分为一层(该实际铺层数由计算机计算效率的高低以及对结构的关心程度决定，计算效率越高、关心程度越高则选取的实际铺层数可以越少)，在结构上对应厚度的位置分割实体结构模型。对关键程度较低的部位分割实体结构模型，同样选取若干实际铺层划分为一层，为提高计算效率，此处选取的实际铺层数可较关键程度较高的部位更多。

对于仅由一种复合材料铺贴而成的结构，其划分方法与上述方法一致，即对较为关键的部位进行精细划分，对关键程度较低的部位进行粗略划分。

通常，复合材料铺层为对称铺层，要注意实体结构模型的切割也应沿对称轴对称。

步骤3：在面内方向，切割实体结构，使其成为具有规则形状的结构，方便在面内方向划分规则网格。此处所说的规则形状的结构，是指可以用体单元(四面体、五面体、六面体)填充，从而可以进行有限元建模的结构。

若是在面内方向，结构本身就为规则形状的结构，则可以不进行切割，以统一密度的网格对结构进行划分；也可以对考核区和非考核区界面进行切割，从而在面内方向的网格对考核区精细化分，对非考核区粗略划分；

若是在面内方向，结构为具有不规则形状的实体结构，应对其进行切割划分。若结构不存在耳孔，应在面内方向，从结构中心处切割至边缘交线处，使每一分割后的实体结构在面内方向呈规则形状；若结构存在耳孔，应在面内方向，从耳孔边起始，切割至边缘交线处，使每一分割后的实体结构在面内方向呈规则形状。

步骤4：创建接触关系。在接头的常见界面上，视分析计算的项目创建接触关系。对于二次胶结的界面，可选取cohesive单元进行胶层模拟，以模拟潜在的脱胶问题；也可选取刚性连接模拟，提高建模效率，同时忽略胶结界面问题。对于耳孔和连接销界面，通常选取刚体-摩擦接触，不考虑连接销的强度问题，同时简化建模流程。

步骤5：划分网格单元，赋予材料属性，得到模型如图5所示。对于上述已切割完成的实体结构模型，在每一切割层之间划分一层网格单元，并按照实际划分的铺层赋予材料属性。对于面内方向，在考核区可以划分较为精细的网格，在非考核区可以划分粗略网格。