[发明专利]变截面三维五向编织复合材料构件的单胞区域划分方法

说明书

本发明公开了变截面三维五向编织复合材料构件的单胞区域划分方法，具体为使用花节高度值h对构件进行横截面划分，然后获得所有划分截面上构件内外轮廓边缘的细分节点，并且根据构建的数学模型计算得到单胞几何模型参数，选择关键参数作为偏移值进行节点偏移，将相邻截面间编号相同的节点进行连接获得多组连线，使用该连线与网格单元是否相交来判断并划分内胞网格单元区域、面胞角胞网格单元区域，并且对判断后得到的内胞网格单元区域、面胞角胞网格单元区域分别建立集合，以便于赋予材质属性，为后续更加准确的宏观构件力学响应数值模拟做好铺垫。

技术领域

本发明属于复合材料健康监测技术领域，具体涉及变截面三维五向编织复合材料构件的单胞区域划分方法。

背景技术

三维五向编织复合材料具有较高的比强度、比刚度、冲击韧性和结构可设计性等优势，因此被广泛应用于多个领域，但是其应用的前提是进行充分的相关力学性能的预测，一般有试验方法、理论预测方法、宏观均质的有限元方法等。由于近年来计算机水平的提高以及商业有限元软件的发展，有限元方法普遍借助商业有限元软件进行三维五向编织复合材料的力学性能仿真预测，其普遍采用多尺度模型有限元分析方法，将细观单胞的力学性能赋给宏观构件，从而进行均质化的宏观构件力学响应分析。但是，仅选用内胞的力学性能代表整体构件的力学性能，忽略面胞和角胞的影响，存在宏观构件力学响应预测结果误差较大的问题。此外，对于具有变截面形状的三维编织复合材料构件的动态损伤分析，若是采用均质化的弹性性能作为损伤分析的基础，则会存在损伤分析结果准确性不足的问题，以此为基础的数值模拟结果对后续工程应用的帮助较为有限。

发明内容

本发明的目的在于提供变截面三维五向编织复合材料构件的单胞区域划分方法，可针对具有变截面形状的三维五向编织复合材料构件进行精度较高的力学响应预测，得到构件在宏观尺度上的应力场、应变场的分布，指导后续构件的优化设计；此外，该方法在有限元软件Abaqus中进行了二次开发，增加了通用性，利于工程问题的批量化处理。

本发明所采用的技术方案是：变截面三维五向编织复合材料构件的单胞区域划分方法，包括以下步骤

步骤1：将具有变截面形状的三维五向编织复合材料构件几何模型导入有限元软件Abaqus，导入时几何模型坐标系需满足垂直横截面的方向与z轴一致；

步骤2：使用Abaqus软件实现构件几何模型的四面体网格划分，网格单元尺寸应小于花节高度h；

步骤3：给定三单胞区域划分方式，根据所选纤维束线密度、体积密度、填充因子、内部编织角等参数确定单胞模型相关参数，以花节高度值h作为构件z轴方向相邻两截面划分差值的尺寸值，进行自上而下顺序的截面划分，将得到的截面依次标号为S_i，i表示截面编号，为正整数，取值范围为1～截面划分数量；

步骤4：建立划分截面上轮廓边缘的矩形包络框，借助软件内全局坐标系在该矩形包络框所在平面建立局部坐标系，以该矩形中心为坐标原点，取平行于全局坐标系x轴的方向为x轴，平行于全局坐标系y轴的方向为y轴，建立局部坐标系OL_i；并且读取截面上轮廓边缘的长度值L，以1/100L作为一个单元尺度，等距划分轮廓边缘，选取构件截面轮廓边缘与第一、第四象限间x轴的交点作为划分起始节点，从而得到该截面内所有划分节点，并且基于已建立的局部坐标系OL_i，从起始节点开始逆时针旋转依次对截面内所有节点进行编号排序，记作并且获取所有编号节点坐标，将坐标数据记入数组若为带孔截面则增加一组节点编号将坐标数据记入数组依次完成所有截面内的节点划分；数组中i表示截面编号，j表示每一截面上节点编号，i取值范围为1～截面划分数量，j取值范围为1～100，i与j均取正整数；