[发明专利]复合材料加筋蒙皮‑泡沫夹层结构简易有限元建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构制造技术领域，更为具体地，本发明为复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法。

背景技术

与传统的金属结构相比，复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构具有更高的比刚度和比强度，材料强度可充分利用，其具有力学性能优异等优点，因而越来越广泛地被应用于结构轻量化的设计中。

在复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的设计过程中，常规的建模方法是：首先分别建立复合材料加筋蒙皮有限元模型和泡沫有限元模型，其次将复合材料加筋蒙皮有限元模型与泡沫有限元模型进行装配、对应的节点进行耦合，常规的方法通过上述方式实现对复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构有限元建模的建立。

但是，由于复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构结构形式很复杂，在进行模型装配、节点耦合的过程中，无法实现所有节点的一一对应耦合，经常出现利用待耦合两个节点计算出的平均节点作为共节点的情况，从而导致耦合计算精度差、节点间应力传递效果差、应变传递效果差等问题。不仅如此，常规建模方法的模型建立过程繁琐，存在建模工作量大的问题。

因此，如何提高耦合计算精度、如何提高节点间应力传递效果、如何提高应变传递效果、如何有效地减小建模工作量，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决现有复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的建模方法装配过程中存在的耦合计算精度差、模型节点间应力传递效果差、应变传递效果差、建模工作量大等问题，本发明创新地提供了一种复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，通过实体模型建立、切割、壳体区域以及泡沫实体区域建立等方法保证节点的一一对应，避免了常规建模方法必须计算平均节点的问题，进而解决了常规建模方法存在的耦合计算精度差、节点间应力传递效果差、应变传递效果差等问题；通过对建模方法的优化和简化以及建模计算量的减少，本发明还解决了常规建模方法存在的建模工作量大的问题。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构简易有限元建模方法，该建模方法包括如下步骤，

步骤1，建立一个三维实体模型，所述三维实体模型的外轮廓尺寸为复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的外轮廓尺寸；

步骤2，分割所述三维实体模型，得到泡沫实体区域，同时得到复合材料加筋蒙皮和泡沫的分界面；所述分界面为复合材料加筋蒙皮和泡沫的共用面；

步骤3，在所述分界面上建立一层壳体区域，并为所述壳体区域赋予复合材料属性、为所述泡沫实体区域赋予泡沫材料属性；

步骤4，对所述壳体区域和泡沫实体区域进行网格划分，得到复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的有限元网格模型；

步骤5，设置所述有限元网格模型的边界条件；

步骤6，基于所述外轮廓尺寸、复合材料属性、泡沫材料属性及边界条件提交计算，从而完成对复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构的建模。

通过上述的实体模型的建立和分割、壳体区域和泡沫实体区域的网格划分和边界条件的设置，本发明彻底突破了传统方案先分体建立、再重新组合的方案，不仅有效减小了建模工作量，而且解决了传统方案由于平均节点的存在而产生的计算精度差的问题；另外，本发明提供的建模方法还具有简单可行、思路清晰、便于技术人员掌握和使用等突出优点，适于大面积的推广和学习。

进一步地，步骤6中，在提交计算前，还包括设置复合材料的失效准则的步骤。

进一步地，步骤6中，所述失效准则为Hashin失效准则或Tsai-Wu失效准则。

进一步地，所述Hashin失效准则包括：纤维压缩断裂失效指数、纤维拉伸断裂失效指数、基体压缩断裂失效指数以及基体拉伸断裂失效指数的设置。

进一步地，步骤3中，所述复合材料属性包括铺层数目和铺层角度。

进一步地，步骤3中，所述泡沫材料属性包括弹性模量、剪切模量以及泊松比。

进一步地，步骤5中，所述边界条件包括加速度、载荷、位移、惯性中的至少一种。

进一步地，步骤4中，在Abaqus环境下，所述有限元网格模型中，壳体区域的网格类型为四节点缩减积分壳单元，泡沫实体区域的网格类型为八节点缩减积分实体单元。

进一步地，步骤6中，壳体区域和泡沫实体区域相对应的节点进行耦合。

进一步地，在上述的步骤1至步骤6中，本发明在Abaqus环境下对所述复合材料加筋蒙皮-泡沫夹层结构进行建模，从而可实现对模型各个性能参数的分析。