[发明专利]用于基于数值模拟来制造由碳纤维增强复合材料制成的产品/部件的方法和系统

权利要求书

1.一种基于数值模拟来制造由碳纤维增强复合材料CFRC制成的产品或部件的方法，包括：

在安装有能够分析CFRC的基于有限元分析FEA的应用模块的计算机系统中接收第一FEA网格模型，所述第一FEA网格模型表示由CFRC制成的产品或部件的三维3D几何形状、预成形纤维取向和在所述产品或部件上的特定位置处的期望的参考纤维方向，所述第一FEA网格模型含有多个有限元，所述多个有限元与用于碳纤维的第一组材料特性和用于结合基质的第二组材料特性相关联，所述预成形纤维取向包括纤维的数量和所述纤维间的相对角度；

利用所述基于FEA的应用模块，通过进行一步逆向数值模拟来获得用于制造所述产品或部件的工件的预成形二维2D形状，所述一步逆向数值模拟基于数值地计算的结构性能将所述第一FEA网格模型数值地扩展到表示所述预成形2D形状的第二FEA网格模型，所述数值地计算的结构性能包括碳纤维的非线性弹性变形加上结合基质的分段线性塑性变形，其中，根据公式，基于所述第一FEA网格模型中的所述期望的参考纤维方向与所述第二FEA网格模型中的有关有限元的当前状态之间的局部变形梯度来计算所述非线性弹性变形；

利用所述基于FEA的应用模块，在所述第二FEA网格模型上叠加预成形纤维取向，同时保留所述期望的参考纤维方向；

利用所述基于FEA的应用模块，通过将所述第二FEA网格模型的所叠加的预成型纤维取向与所述第一FEA网格模型互关来确定所述产品或部件上的所有所述纤维间的相对角度；以及

由此，所获得的所述工件的预成形2D形状用于在所述产品或部件的物理制造中建立预浸料坯。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二FEA网格模型以一对一的对应关系含有所述第一FEA网格模型的相同数量的有限元。

3.根据权利要求2所述的方法，所述获得用于形成所述产品或部件的所述工件的所述预成形2D形状还包括通过将所述第一FEA网格模型的所有所述有限元投影到展平表面来创建所述第二FEA网格模型的初始状态；并且将所述第二FEA网格模型的所述初始状态中的变形的有限元扩展到所述第一FEA网格模型中的相应有限元的维度，使得满足力平衡条件。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二FEA网格模型的每个有限元能够在所述展平表面上水平地扩展。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述公式包括

以及L_c＝||F_c^-1V₁||，

其中V₁是表示所述期望的参考纤维方向的单位矢量，F_c是表示从所述第二FEA网格模型中的特定有限元到所述第一FEA网格模型中的对应有限元的所述局部变形梯度的张量，L_c是用于计算V₂的量级，并且V₂是表示所述第二FEA网格模型的所述对应有限元中的纤维方向的未知单位矢量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，每个有限元包括二维壳有限元。