[发明专利]一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法

说明书

种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，包括待测双稳态曲线纤维层合板，双稳态曲线纤维层合板具有曲线纤维路径，其特征在于，包括以下步骤：确定复合材料层合板的设计参数，确定曲线纤维路径的角度参数，建立复合材料层合板的稳态分析模型，建立Abaqus二次开发插件，仿真验证复合材料壳的稳态特性；与现有技术相比，通过设置纤维初始角和纤维终止角两个设计变量，根据纤维初始角和纤维终止角两个设计变量设计不同曲线路径的双稳态变角度层合板，丰富了复合材料设计的灵活性。

技术领域

本发明涉及符合材料结构设计领域，具体涉及一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法。

背景技术

双稳态复合材料结构由于其轻质、力学性能好等优点，还有其独特的双稳态行为，在航空航天、能量收集、仿生结构等领域得到广泛应用。

在实际的变形场合中，双稳态复合材料结构通常是用传统的直线纤维复合材料层合板实现，其纤维以直线的形式铺放，虽然直线纤维铺放设计流程简单且能满足一般的工程要求，但却在很大程度上限制了复合材料设计的灵活性，不能很好的利用复合材料方向性的特点。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种仿真验证、设计灵活的双稳态曲线纤维层合板的设计方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种双稳态曲线纤维层合板的设计方法，包括待测双稳态曲线纤维层合板，双稳态曲线纤维层合板具有曲线纤维路径，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：确定复合材料层合板的设计参数，确定曲线纤维路径的角度参数：其中，T₀位于复合材料层合板中心处，为纤维参考路径的初始角，T₁为距离复合材料层合板中心a/2处的平板边缘角度，d表示平板中心到边界的距离，X为纤维铺放角随指随x轴线性变化的曲线路径位置；

步骤B：建立复合材料层合板的稳态分析模型，针对步骤A给出的确定性设计参数建立复合材料层合板的稳态分析模型，应用经典层合板理论求解出层合板的拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵；

对于变角度层合板，拉伸刚度、耦合刚度和弯曲刚度矩阵是关于x，y的函数，根据里兹法设定适合的中面应变函数和面外位移函数后，可求得层合板的总势能，再根据最小势能原理，进行复合材料层合板的能量分析，求解对应的参数，最后根据构件雅可比矩阵的正定性来判定解的稳定性和稳态数量，模型如下：

其中表示转换矩阵，与材料参数和铺设角度有关，C_i为中面应变能和面外位移的未知参数，k表示曲率，A为拉伸刚度矩阵，B为耦合刚度矩阵，C为弯曲刚度矩阵；

步骤C：建立Abaqus二次开发插件，由于有限元软件无法对曲线纤维直接建模，因此需要对层合板进行离散化，将层合板均分成m块微小单元，曲线纤维近似为线性的分段函数，对于每一个单元，铺设角度都是固定的常数，实现“以直代曲”；

步骤D：仿真验证复合材料壳的稳态特性，运用有限元仿真软件，根据步骤A的设计参数创建变角度层合板，通过借助Abaqus的二次开发插件对曲线纤维进行铺层，通过中心点固定及施加温度场模拟实际固化过程，最后在层合板四个顶点施加位移场使其向第二稳态转变，并输出稳态的曲率，与分析模型作比较，来验证稳态数量和稳态曲率的误差。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤A中复合材料层合板的设计参数包括复合材料层合板的材料参数、铺层情况、总体尺寸及曲线纤维路径。

作为本发明的一种优选方案，所述铺层情况包括铺层的层数n和铺设方式，铺设方式包括正对称铺设、反对称铺设和正交铺设。