[发明专利]三维编织复合材料六面体有限元模型自动生成方法

说明书

本发明公开了一种三维编织复合材料六面体有限元模型自动生成方法，包括如下步骤：计算纤维束中心编织过程的空间轨迹，得到每条纤维束中心的位置坐标；读取所维束中心点空间轨迹的位置坐标，即读取打紧后的每条纤维束的位置坐标，进行几何创建、方向分组和六面体网格划分。使用本发明，只要求输入几个简单的宏观参数，即可实现复杂几何结构三维编织复合材料的快速建立有限元模型功能。结合几何结构和有限元建模，按纤维束中心方向向量进行分组，方便纤维束横观各向同性材料设置材料主轴方向，考虑了内部区域、表面区域和角部区域纤维束截面的变化，使大尺寸三维编织复合材料建立横观各向异性有限元模型从理论上手动可行到现实中实现。

技术领域

本发明属于复合材料加工领域，尤其是三维编织复合材料的仿真方法。

背景技术

为了达到发动机的高推重比、低油耗、低噪声、低维修成本的要求，低密度、高比强度的复合材料在大涵道比涡轮发动机上的使用比例越来越高，应用范围从静止部件到动态部件、非承力部件到承力部件、冷端部件到热端部件的过渡，其中一个典型的应用就是碳纤维复合材料风扇取代钛合金材料风扇。碳纤维复合材料风扇叶片质量轻、耐腐蚀、低噪音、抗疲劳、抗振性能特别是抗颤振性能良好，具有较高的损伤容限能力。同时，复合材料叶片受到外物撞击后，易于碎成几块，在吸收了撞击能量的同时，还降低对风扇机匣和包容环的撞击程度，这使得复合材料叶片在减轻自身重量的同时，还减轻了风扇包容系统、风扇盘以及整个转子系统的重量。根据相关公开报道，SNECMA公司为下一代大型客机和运输机研制的LEAP-X发动机中风扇转子叶片采用了树脂传递模塑(RTM)技术制造的三维编织复合材料。相对于传统层合复合材料，三维编织复合材料具有高度整体化的空间互锁网状结构，可有效避免传统层合复合材料的分层破坏、冲击韧性、损伤容限与抗疲劳特性优异，结构可设计性强，能够实现异形件的净尺寸整体成型，因此在结构材料领域备受关注。

复合材料风扇有利于实现大涵道比，从而可以大幅提高发动机的进气量和发动机推力，但同时也增加了风扇叶片受到飞鸟、冰块、砂石、地面杂物等外来物撞击的概率。根据民航适航规定(CCAR-33R2)和国军标(GJB241-87)相关条款的要求，航空发动机的风扇叶片必须能够抵御鸟、冰、砂石和小金属物的撞击。所以，设计航空发动机风扇叶片时不仅追求质量轻、强度高、可靠高效的运行，而且要求在实际使用环境必须具备抗外物损伤能力。

三维编织复合材料冲击动力学有限元数值模拟方法一般包含宏观方法和细观方法两种尺度。宏观方法是根据三维编织复合材料的结构特点忽略具体结构进行合理的简化后把复合材料假设成横观各向同性连续介质体。优点是建模简单，在一定程度上能反映试验宏观破坏形貌，缺点是对试验过程中纤维束和基体各自损伤机理揭示不够清晰，而且不能进一步考虑复合材料重要损伤之一的界面损伤，一般用于初始材料设计或试验前的评估计算。细观方法是建立与三维编织结构复合材料相同的细观结构几何模型，从而将复合材料中的各组分材料的性能分开研究，纤维束通常使用横观各向同性弹性力学本构，基体采用各向同性本构，纤维束和基体之间采用定义接触或使用界面单元进行连接，选取适合的破坏准则和渐进损伤演化，在严格细观结构意义上计算复合材料冲击破坏过程，揭示复合材料细观结构参数对冲击性质的影响，进而表征复合材料整体的力学性能。具备详细描述纤维束和基体的脱黏、拉伸、压缩、剪切和损伤机理的优点，缺点是由于内部结构的复杂性令几何和有限元建模复杂。

由于三维编织内部结构的复杂性令几何结构和细观有限元建模复杂，再考虑到纤维束横观各向同性的性质要求空间变化的纤维束必须进行方向分组归类以便设置材料主轴方向，所以三维编织细观尺度研究困难重重。1.能制备三维纺织结构复合材料的部门不侧重于该复合材料静态力学性质和具体工程应用；2.力学研究机构不擅长三维纺织结构复合材料制备和细观结构表征。而且，现有的三维编织复合材料细观结构表征流行使用代表性单胞方法简化有限元的规模进行材料的整体刚度预测和局部强度分析工作，由于单胞有限元的使用必须进行周期性循环边界条件的施加以表征材料的整体性能，所以要求单胞边界节点一一对应，从而导致有限元建模过程复杂。再考虑到高速冲击整体响应的数值仿真进行细观整体建模较合理，快速地建立三维编织复合材料细观结构的方法研究的需要越来越迫切。