[发明专利]一种变刚度复合材料的建模方法

说明书

本发明涉及一种变刚度复合材料的建模方法，包括以下步骤：S1、先对常刚度复合材料的结构模型进行优化设计；S2、对步骤S1中的模型进行截面简化；S3、根据步骤S2中的简化模型进行蒙皮铺层建模；S4、对变刚度复合材料结构模型建立整体有限元分析模型。该方法解决了将变刚度复合材料应用到机翼等复杂或不规则结构中的难题，具有广泛的推广意义。

技术领域

本发明属于复合材料的有限元分析技术领域，尤其涉及一种变刚度复合材料的建模方法。

背景技术

由于对轻质结构的需求，飞行器、汽车等结构设计的研究和发展一直与采用性能优越的新材料密切相关。先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，将其用于飞行器等结构上，可明显减轻结构重量、改善气动弹性特性，提高结构性能。先进复合材料在飞行器上应用的部位和用量的多少，现已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。例如，新型客机波音787与空客A350的复合材料用量达到50％以上。

复合材料结构设计是复合材料在结构上科学合理应用和降低全寿命周期费用的关键，重点在于充分利用复合材料性能的方向性、结构性能的可设计性和大型构件整体成形的良好工艺性，实现结构、效率、性能、功能与成本的综合优化。

带有连续变化角度的纤维铺层的复合材料被称为变刚度复合材料，与传统的复合材料层合板相比，其重量和成本可以减少10％-30％，因为不断变化的纤维取向导致了每层的刚度在不同的空间位置各不相同。工程设计人员可据此调整内部载荷分布，使结构性能得到显著提高。变刚度复合材料是在已有主要材料体系基础上开发的先进复合材料，突破了传统的复合材料铺层设计理念，对制品的适应性更强，可以实现凸面、凹面和双曲率构件等复杂型面结构的铺叠，极大减少连接件的使用，减少结构重量。同时在使用连续变角度纤维铺层时可预留开孔结构，减少后期开孔，既可避免应力集中现象，提高结构性能，降低成本，又可以进行优化设计以及实现设计制造一体化，提高结构设计与生产效率，从而实现降低复合材料构件的全生命周期成本。

对于传统复合材料结构设计，一般采用有限元软件(如ABAQUS)中的复合材料模块进行铺层方向、铺层顺序、铺层层数的设计，该种方法中各个铺层中的纤维方向角为常数。然而，由于变刚度复合材料中各个铺层中的纤维方向角为连续变化的函数，而不是一个常数，所以该种方法不适用于变刚度复合材料。目前对变刚度复合材料的研究局限于平板、圆柱、圆锥面等规则的几何体。

因此，如何合理地将变刚度复合材料应用到不规则的复杂结构中，并对其力学性能和稳定性进行研究，十分迫切且具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种变刚度复合材料的建模方法，解决了将变刚度复合材料应用到机翼等复杂或不规则结构中的难题，具有广泛的推广意义。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种变刚度复合材料的建模方法，包括以下步骤：

S1、先对常刚度复合材料的结构模型进行优化设计；

S2、对步骤S1中的模型进行截面简化；

S3、根据步骤S2中的简化模型进行蒙皮铺层建模；

S4、对变刚度复合材料结构模型建立整体有限元分析模型；

进一步，该方法还包括步骤：

S5、对步骤S4中建立的整体有限元分析模型进行优化设计。

进一步，步骤S1中是通过求解数学模型的方式对所述的常刚度复合材料的结构模型进行优化设计，数学模型表达式如下：

min W(X)＝∑ρ_j*V_j(X)；

式中优化设计的目标是变刚度复合材料结构模型的质量W(X)最小；ρ_j为第j部分的材料密度；V_j(X)为第j部分的体积。