带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法

技术领域

本申请属于带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化设计技术领域，具体涉及一种带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法。

背景技术

复合材料层合板具有优异的力学性能，在工程上具有广泛的应用，当前，复合材料层合板各层多是以铺放带按照一定角度并排直线铺放形成，不能充分发挥复合材料铺放带的方向特性，且在复合材料层合板上具有开孔时，各层会有数量较多的铺放带被切断，结构的传力线路受到破坏，且会导致结构局部刚度的突变，在开孔的孔边区域产生应力集中，使复合材料层合板的强度显著降低。

鉴于上述技术缺陷的存在提出本申请。

需注意的是，以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本申请的目的是提供一种带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。

本申请的技术方案是：

一种带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法，包括：

以复合材料层合板上开孔中心为原点，建立总体坐标系；

以复合材料层合板上开孔中心为原点，构建局部坐标系，基于理想流体圆柱绕流流线簇，定义复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹；

构建复合材料层合板的几何模型，进行有限元网格划分，计算各个有限元网格在总体坐标系下的坐标；

对应于复合材料层合板各层，将各个有限元网格在总体坐标系下的坐标，变换为局部坐标系下的坐标，利用复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹，计算各个有限元网格在局部坐标系下对应的铺放带铺放角度；

对应于复合材料层合板各层，将各个有限元网格在局部坐标系下对应的铺放带铺放角度，变换为总体坐标系下的对应的铺放带铺放角度；

将对应于复合材料层合板各层，将各个有限元网格在总体坐标系下对应的铺放带铺放角度，赋到几何模型模型中，进行有限元计算，以复合材料层合板的强度为优化目标，得到复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹。

根据本申请的至少一个实施例，上述的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法中，所述以复合材料层合板上开孔中心为原点，构建局部坐标系，基于理想流体圆柱绕流流线簇，定义复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹，具体为：

<Γ

其中，

Γ

θ

N为复合材料层合板的层数。

根据本申请的至少一个实施例，上述的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法中，所述对应于复合材料层合板各层，将各个有限元网格在总体坐标系下的坐标，变换为局部坐标系下的坐标，具体为：

其中，

x、y为各个有限元网格在总体坐标系下的坐标；

x'

根据本申请的至少一个实施例，上述的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法中，所述对应于复合材料层合板各层，利用复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹，计算各个有限元网格在局部坐标系下对应的铺放带铺放角度，具体为：

其中，

为对应于复合材料层合板第k层，各个有限元网格在局部坐标系下对应的铺放带铺放角度；

ψ

根据本申请的至少一个实施例，上述的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法中，

根据本申请的至少一个实施例，上述的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法中，所述对应于复合材料层合板各层，将各个有限元网格在局部坐标系下对应的铺放带铺放角度，变换为总体坐标系下的对应的铺放带铺放角度，具体为：

其中，

为对应于复合材料层合板第k层，各个有限元网格在总体坐标系下的对应的铺放带铺放角度。

根据本申请的至少一个实施例，上述的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法中，所述以复合材料层合板的强度为优化目标，得到复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹，具体为：

其中，

F

Γ

θ

本申请至少存在以下有益技术效果：

提供一种带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法，其设计以复合材料层合板上开孔中心为原点，构建局部坐标系，基于理想流体圆柱绕流流线簇，定义复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹，可降低各层铺放带被开孔切断的数量，降低传力路线的受破坏程度，且以复合材料层合板上开孔中心为原点，建立有总体坐标系，利用坐标的变换将对应于复合材料层合板各层，最终将复合材料层合板的几何模型各个有限元网格在局部坐标系下对应的铺放带铺放角度，变换到总体坐标系下的对应的铺放带铺放角度，进行有限元计算，以复合材料层合板的强度为优化目标，得出复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹，实现对各层铺放带铺放轨迹优化，保证复合材料层合板的强度。

附图说明

图1是本申请实施例提供的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法的流程示意图；

图2是本申请实施例提供的局部坐标系与总体坐标系的示意图；

图3是本申请实施例提供的复合材料层合板几何尺寸的示意图；

图4是本申请实施例提供的建立复合材料层合板有限元模型的示意图；

图5是以本申请实施例提供的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法优化铺放轨迹相较于现有铺放轨迹对复合材料层合板强度影响的示意图。

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，此外，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。

此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示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，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。

下面结合附图1至图5对本申请做进一步详细说明。

理想流体圆柱绕流流线簇，如图2所示，均匀直线流流速方向沿着x'轴方向，在x'oy'局部坐标系下的流线簇方程如下：

其中，

ψ为流函数；

Γ为控制参数，决定了流线簇的形状；

Const为常数，决定了流线的位置。

局部坐标系x'oy'可由总体坐标系xoy旋转得到，如图2所示，对于总体坐标系xoy下任意一点P(x,y)，可得P点在局部坐标系x'oy'下的坐标(x',y')：

其中，

θ为x'轴与x轴的夹角，即为局部坐标系x'oy'、总体坐标系xoy间的旋转角度。

根据流线簇方程(1)，可以确定流线上点P(x',y')的切线方向矢量：

/>

可以确定P(x',y')点处切线方向与x'轴的夹角

对应P点，总体坐标系xoy下流线的切线方向与x轴的夹角

若给定复合材料层合板的几何尺寸，如图3所示，长度为L、宽度为W，其上开孔的孔径为D，以及给定复合材料层合板的的层数为N，材料属性及开孔的载荷及边界条件，可假定复合材料层合板铺放带铺放轨迹参数<Γ

在商业有限元软件中，构建复合材料层合板的几何模型，设置全局网格尺寸，采用壳单元划分网格。

基于生成的有限元网格模型文件，可读取各个单元对应的节点编号和节点坐标，通过每个单元的节点坐标，可计算出各个有限元网格在总体坐标系xoy下的坐标(x,y)。

根据复合材料层合板各层铺放带的铺放轨迹参数<Γ

本申请公开的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法，是以复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹流线形状控制参数、坐标系偏转角度为设计变量<Γ

在一个具体的实施例中，复合材料层合板L＝150mm、W＝100mm、D＝20mm、铺层总数N＝2、单层厚度、为0.155mm，以3D打印工艺制备，材料性能参数为纵向模量118GPa、横向模量8980MPa、剪切模量为4210MPa、面内泊松比为0.306、纵向拉伸强度1835MPa、纵向压缩强度1296MPa、横向拉伸强度82.5MPa、横向压缩强度240MPa、剪切强度166MPa，载荷边界条件为左右两侧加载边为固支边界条件，右侧加载边施加x轴方向1mm拉伸位移。

以本申请公开的带有开孔的复合材料层合板各层铺放带铺放轨迹优化方法，对各层铺放带铺放轨迹优化可参照以下步骤进行：

1)设置初始铺放带铺放轨迹参数为：[<50|30°>/<50|-30°>]。

2)在有限元软件ABAQUS中，建立复合材料层合板的几何模型、材料模型，复合材料层合板采用壳单元S4R建模，开孔周设置80个单元，模型网格数量为2200，如图4所示，材料模型设置为单层板，单层厚度为0.155mm。

3)基于生成的有限元网格模型文件，读取各个单元对应节点的编号、坐标，通过各个单元的节点坐标，可计算出各个有限元网格的在总体坐标系下的坐标，随后由(2)～(5)确定各层铺放带铺放角度，建立各层的单元编号与铺放带铺放角度一一对应关系，即角度场，将得到的角度场赋予复合材料层合板；例如：

有限元网格在总体坐标系下的坐标为(5，10)，对于第1层，铺放轨迹参数为<50|30°>，由(2)式可得第1层局部坐标系下的坐标为(9.33，6.16)，代入(3)式可得局部坐标系下的方向矢量(0.843，-0.368)，代入(4)式可得铺放带铺放方向与x'轴的夹角

4)设置载荷边界条件，进行拉伸失效分析，得到复合材料层合板的强度F

5)基于Python语言将步骤1)～4)形成参数化分析脚本，便于分析不同铺放带铺放轨迹参数下复合材料层合板的强度。

6)设置参数范围：Γ

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。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。