[发明专利]一种确定复合材料板的纤维路径方向的方法

说明书

本发明涉及复合材料板的纤维路径方向确定技术领域,公开了一种确定复合材料板的纤维路径方向的方法，通过将复合材料板的模型划分为多个网格，以及根据每个网格内的纤维角度为每个网格赋予材料属性，可以实现每个网格的材料性能的准确定义，通过对所有网格的材料性能分析可以获得当前复合材料模型的刚度，进而能够在有限次的建模后得到适合该复合材料板模型的最佳纤维路径。

技术领域

本发明涉及复合材料板的纤维路径方向确定技术领域，具体涉及一种确定复合材料板的纤维路径方向的方法。

背景技术

目前，科学技术的发展都离不开复合材料。复合材料由于其比重小、比强度和模量大等优点在很多领域都发挥了巨大的作用。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到热膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)高得多。

然而复合材料板上的纤维路径方向不同会影响复合材料的整体刚度性能，因此在设计复合材料板上的纤维路径方向时确定一条好的纤维路径可以在保证复合材料板的刚度的同时能减小纤维材料板的整体质量。

发明内容

鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种确定复合材料板的纤维路径方向的方法，通过该方法可以确定复合材料板上的纤维路径方向，能够在保证复合材料板的刚度的同时降低复合材料板的整体质量。

为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种确定复合材料板的纤维路径方向的方法，包括以下步骤：

S1：对复合材料板进行建模，指定复合材料板上的纤维路径；

S2：对复合材料板的模型进行网格划分，得到一个有限元的网格模型，在网格模型中每个网格为一个单元，每个单元为多边形状，每个单元的两条边的交点为一个节点；

S3：在网格模型建立三维全局坐标系，读取三维全局坐标系中每个单元的所有节点的X坐标和Y坐标；

S4：根据每个单元的所有节点的X坐标和Y坐标计算该单元的中心坐标；

S5：将每个单元的中心坐标带入到函数：

θ(x)＝(2*(T1-T0)*|x|)/a+T0中，求出每个单元内的纤维方向，其中T1为纤维路径与复合材料板的边缘的夹角，T0为纤维路径与复合材料板的中心在X方向的夹角，x为单元的中心坐标的X方向坐标值,a为复合材料板在X方向的长度；

S6:根据每个单元内的纤维方向指定单元内的材料主方向，然后给每个单元按照材料主方向赋予材料属性。

由于纤维在复合材料板中走的是弧线而非直线，因此在步骤S2中可以使用有限元方法对模型进行网格划分，将整个模型划分为多个离散体，然后只需单独定义每个网格内的纤维方向，便能实现材料的准确定义。

其中，步骤S2中，多边形状包括三角形和四边形。

其中，步骤S6中，材料属性包括纤维方向的弹性模量、与纤维方向垂直的方向的弹性模量、纤维方向和与纤维方向垂直的方向的泊送比和三个方向的剪切模量。

其中，步骤S6中根据每个单元内的纤维方向指定单元内的材料主方向具体如下：在每个单元中建立三维局部坐标系，三维局部坐标系的Z轴方向与该单元垂直，此三维局部坐标系中的纤维方向为该单元内的材料主方向。三个方向的剪切模量分别为三维局部坐标系中的XY方向、YZ方向和XZ方向的剪切模量。