专利名称：在特定有限元方法中有效计算多纤维组材料的算法的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种在有限元方法(FEM)模拟中计算多向复合材料的方法，更 具体地涉及一种在FEM模拟中计算多向复合材料的方法，该方法包括将被模拟的复杂纤 维结构转化为简化的单层单元，并且确定所述单元上的应力，从而减少模拟所述结构中的 每个单独纤维上的应力所需的计算量。
背景技术：
氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能够用来在燃料电池中有效地产 生电。汽车工业投入大量资源来开发作为车辆动力源的氢燃料电池系统。这种车辆将会比 使用内燃机的现代车辆更高效并且产生更少的排放。通常，氢存储在车辆上的处于高压下的压缩气罐中以便为燃料电池系统提供所需 的氢。压缩罐中的压力可高达700bar。在一个已知设计中，压缩罐包括为氢提供不透气的 密封的塑料内衬和为罐提供结构完整性的外部碳纤维复合层。由于氢是非常轻且易扩散的 气体，内衬和例如0形环的罐连接部件必须被精心设计以防止泄露。氢通过管道从罐中离 开。通常提供至少一个压方调节器，该压力调节器将罐内的氢气压力降低到适于燃料电池 系统的压力。用于氢存储罐类型的高压罐和容器的外层材料通常是复合材料，包括纤维和基体 材料的组合，其中纤维沿多个方向取向。一个纤维取向被称为一层(a ply or a layer)。 不同纤维取向的堆叠被称为层构造(layer set-up)。纤维通过预定的纤维缠绕过程被缠绕 在心轴上以形成容器的外层。当设计这种类型的容器时，通常使用有限元方法(FEM)的算法，该算法模拟复合 纤维如何以不同的纤维取向被缠绕而满足罐的所需结构完整性。FEM是众所周知的结构设 计和分析方法，它可以模拟在容器上产生的应力。所述算法使用多种输入，包括复合材料特 性、纤维取向、容器在车辆中的位置等。对用于燃料电池车辆的氢存储罐而言，需要确定由 于车辆碰撞而产生的罐上的应力位置。在此方面，容器的位置是重要的，因为在罐周围的车 辆结构部件会在碰撞事件中刺穿罐。因此，该算法在模拟过程中考虑了罐上的应力以确定 容器能否令人满意地承受住应力。然而，由于用于确定不同情况下每个纤维上的应力的模 拟和计算的性质，用于这种FEM模拟的计算成本和计算时间的量非常大。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种在用于设计高压罐的FEM模拟中用于计算多向复 合材料的方法。该方法起始于读取用于模拟的数据，这些数据包括纤维取向和复合材料性 质。然后，对于每个FEM单元，该方法计算带方向的层的刚度并且将计算出的刚度转换为用 于每层的局部坐标系统。该方法随后计算作为层构造的成组纤维取向的刚度。该方法随后 计算用于层构造的工程常数和用于层构造的应力限值的等效值。该方法随后使用工程常数 来计算FEM单元上的应力并且确定计算出的应力是否超过用于每个单元的预定应力限值。如果计算出的应力超过该应力限值，那么该算法切换到计算每层应力的复杂应力计算。该 方法随后估计用于每个单元的每层的应力限值，如果有一层超过应力限值，则采取合适的 步骤，例如识别材料性能失效。方案1、一种对使用多向复合纤维的结构进行模拟的方法，所述方法包括提供关于复合纤维的输入数据；在所述结构中识别多个单元，其中每个单元包括具有不同取向的多个纤维；针对所述多个单元中的每个，计算该单元中的每个纤维的刚度，使用每个纤维的 刚度计算值来计算成组纤维取向的刚度，使用所述成组纤维取向的刚度来计算该单元的工 程常数，所述工程常数识别出用于该单元中的组合纤维的单元应力，以及计算用于该单元 的层构造的等效应力限值；使用计算出的工程常数来计算每个单元上的应力；判定计算出的每个单元上的应力是否超过第一预定应力限值；如果每个单元都不超过所述第一预定应力限值，则判定所述结构是令人满意的；如果计算出的特定单元的应力超过所述第一预定应力限值，则在所述特定单元中 对每个纤维执行层上应力计算；以及如果所述特定单元中的每个纤维的层上应力计算值都不超过第二预定应力限值， 则判定所述特定单元是令人满意的。方案2、如方案1所述的方法，还包括如果单元中的单个纤维超过所述第二预定 应力限值，则判定存在失效。方案3、如方案1所述的方法，其中提供关于复合纤维的输入数据包括提供纤维取 向、纤维材料以及纤维强度和刚度。方案4、如方案1所述的方法，其中所述模拟是有限元方法分析模拟。方案5、如方案1所述的方法，其中计算单元中的每个纤维的刚度包括沿三个正交 方向计算该单元中的每个纤维的刚度。方案6、如方案1所述的方法，其中所述结构是高压罐。方案7、一种对包括多向复合纤维的高压罐进行模拟的有限元方法，所述方法包 括提供关于复合纤维的输入数据；针对所述罐中的多个单层单元，使用经典叠层理论将多个纤维转化为单层单元， 所述转化包括计算工程常数，所述工程常数识别出用于该单元中的组合纤维的单元应力；使用计算出的工程常数来计算每个单元上的应力；判定计算出的每个单元上的应力是否超过第一预定应力限值；如果每个单元都不超过所述第一预定应力限值，则判定所述罐是令人满意的；如果计算出的特定单元的应力超过所述第一预定应力限值，则在所述特定单元中 对每个纤维执行层上应力计算；以及如果所述特定单元中的每个纤维的层上应力计算值不超过第二预定应力限值，则 判定所述特定单元是令人满意的。方案8、如方案7所述的方法，其中将多个纤维转化为单层单元包括计算所述单元 中的每个纤维的刚度，使用每个纤维的刚度计算值来计算成组纤维取向的刚度，使用所述成组纤维取向的刚度来计算所述单元的工程常数，以及计算用于所述单元的层构造的等效 应力限值。方案9、如方案8所述的方法，其中计算所述单元中的每个纤维的刚度包括沿三个 正交方向计算所述单元中的每个纤维的刚度。方案10、如方案7所述的方法，还包括如果单元中的单个纤维超过所述第二预定 应力限值，则判定存在失效。方案11、如方案7所述的方法，其中提供关于复合纤维的输入数据包括提供纤维 取向、纤维材料以及纤维强度和刚度。方案12、一种对包括多向复合纤维的结构进行模拟的系统，所述系统包括提供关于复合纤维的输入数据的装置；针对所述罐中的多个单层单元使用经典叠层理论将多个纤维转化为单层单元的 装置，所述转化包括计算工程常数，所述工程常数识别出用于所述单元中的组合纤维的单 元应力；使用计算出的工程常数来计算每个单元上的应力的装置；判定计算出的每个单元上的应力是否超过第一预定应力限值的装置；如果每个单元都不超过所述第一预定应力限值则判定所述结构是令人满意的装 置；如果计算出的特定单元的应力超过所述第一预定应力限值则在所述特定单元中 对每个纤维执行层上应力计算的装置；以及如果所述特定单元中的每个纤维的层上应力计算值都不超过第二预定应力限值 则判定所述特定单元是令人满意的装置。方案13、如方案12所述的系统，其中将多个纤维转化为单层单元的装置计算该单 元中的每个纤维的刚度，使用每个纤维的刚度计算值来计算成组纤维取向的刚度，使用成 组纤维取向的刚度来计算所述单元的工程常数，以及计算用于所述单元的层构造的等效应 力限值。方案14、如方案13所述的系统，其中将多个纤维转化为单层的装置计算该单元中 的每个纤维的刚度，该计算包括沿三个正交方向计算该单元中的每个纤维的刚度。方案15、如方案12所述的系统，还包括如果单元中的单个纤维超过所述第二预 定应力限值则判定存在失效的装置。方案16、如方案12所述的系统，其中提供关于复合纤维的输入数据的装置提供纤 维取向、纤维材料以及纤维强度和刚度。方案17、如方案12所述的系统，其中所述结构是高压罐。方案18、如方案12所述的系统，其中所述模拟是有限元方法分析模拟。通过下面的描述和所附权利要求并参考附图，本发明的其他特征将变得更加清
林 疋。
图1是包括缠绕在心轴上的纤维的高压罐的立体图；图2是具有不同取向的纤维的叠层的示意图，该纤维叠层使用传统的叠层理论转化为简化的单层；以及图3是流程图，示出了在设计高压罐的FEM模拟中用于有效计算多向复合材料的 过程。
具体实施例方式下面对根据本发明的实施方式的用于在FEM模拟中计算多向复合材料的方法的 讨论本质上仅仅是示例性的，无论如何不是用来限制本发明或者其应用或用途。例如，本发 明在模拟燃料电池车辆上的用于存储氢气的高压罐的设计方面具有特定的应用。然而，本 领域普通技术人员将会理解，本发明可用来模拟由复合材料缠绕而成的任何容器。图1是罐或容器10的立体图，其包括多个复合材料层或纤维12，复合材料层或纤 维12具有缠绕在心轴14上的多种纤维取向。容器10用来表示纤维12可采取的多种取向， 这些取向形成了这种类型的高压罐，并且用来表示用于将纤维12缠绕到心轴14上的缠绕 过程的复杂性。如下面将要详细讨论的那样，本发明提出了一种以简化方法确定多个纤维 取向上的应力是否满足期望要求的FEM模拟算法和相关方法，该方法通过使用工程常数和 经典的叠层理论(classical laminate theory)而减少了计算时间和成本。图2是示意图20，其示出了包括多个纤维层24的复合纤维层结构22，其中每个纤 维层24具有不同的纤维取向和不同的局部刚度。结构22用来表示用于高压罐的层构造。 纤维层24限定了多种取向和层，包括螺旋层(helical layerS)26、箍层(hoop layers) 28 和连续层(sequence layers) 30。工程常数和经典叠层理论可使用已知技术将复杂的纤维 层结构22转化为简化的层单元32，其中结构22中的数个纤维取向被模型化为单层单元。如下面将要讨论的，本发明将用于所提出的高压罐的被模拟的复杂纤维结构转化 为简化的单层单元，如图2所示，然后确定该单层单元是否满足特定罐的应力要求。通过 将复杂的纤维结构简化为单层单元，减少了判断罐是否满足应力要求的模拟所需的计算时 间。如果单层单元不满足应力要求，那么就在初始纤维结构上执行对于层的应力分析以确 定对结构的实际层的模拟是否满足应力要求。图3是流程图34，示出了在用于设计高压罐的FEM模拟中用于有效计算多向复合 材料的过程。在方框36处，算法读取数据，该数据包括在被模拟的特定容器的纤维中使用 的复合材料的纤维取向和材料性质。材料性质包括复合材料本身的材料及其刚度和强度。 根据被执行的特定模拟，还可以读取其他数据。在方框38处，执行一系列计算以将纤维的组合转化为单层单元并且计算罐中的 每个单元的应力。换言之，罐由多个单元组成，其中每个单元包括多个堆叠的纤维或层。堆 叠的纤维可使用经典的叠层理论转化为单个单元，如图2所示。用于燃料电池系统的高压 罐可包括数百个单元。该算法使用已知的计算技术计算单元中的每个单向层的刚度，包括在三个垂直方 向上计算层的刚度。该算法还将用于每层的刚度计算值转换到局部坐标系。一旦算法计 算出单元中的所有层的刚度，则算法在作为成组纤维取向的三个方向中的每个方向上累加 层的刚度。换言之，算法针对单元中的所有纤维在三个方向中的每个方向上提供组合的刚 度。算法随后计算工程常数，该工程常数表示用于单元的多个纤维取向的、在三个方向上的 成组的累加刚度。工程常数提供了成组纤维的刚度而不需要知道单个纤维本身的刚度。由此，工程常数提供了在所有层上的单元的模糊刚度。算法还在方框38处针对单元的层构造 计算应力限值的等效值，从而给出了单元的材料的应力限值。该算法随后在方框40处使用工程常数来针对输入参数计算每个单元上的应力， 随后在判定菱形框42处判定所考虑的特定单元的应力是否超过了预定极限阈值。如果在 判定菱形框42处单元的应力没有超过阈值，则算法返回方框40计算下一单元的应力。如 果对于使用简化层的材料性质的特定纤维取向，罐中的每个单元均没有超过应力限值，那 么罐的设计者就知道不需要进一步的计算和模拟来判定罐是否满足应力限值测试，由此对 于该分析来说就减少了计算时间。对于纤维上的应力的复杂计算，包括对层上应力的计算， 仅当在判定菱形框42处判定一个或多个单元的应力大于应力限值阈值时才需要。如果在判定菱形框42处特定单元的应力超过阈值，那么算法切换到方框44处对 每个层或每个纤维上的层上应力进行计算。层上的应力计算将计算单元中每层的应力，并 且是需要大量计算时间的计算，如上所述本发明通过使用简化层首先确定单元是否满足应 力限值来避免的上述大量计算时间。本领域已知多种提供层上应力计算的算法。在判定菱形框46处，该算法判定每层的层上应力计算值是否超过预定的阈值。如 果在判定菱形框46处，单元中的每层低于应力极限阈值，那么算法就返回到方框40来计算 下一单元的应力，因为即使在判定菱形框46处前一单元的简化的层单元不满足应力限值， 单元中的每层也会在更详细的分析中通过判定菱形框46处的应力限值测试，这意味着该 单元满足模拟要求。然而，如果在判定菱形框46处单元中的任一层超过该阈值，这在方框 48处识别为单个层超过应力限值，那么在方框50处将采取合适的动作，例如停止模拟，提 供由于失效而导致材料性质退化的分析等。上述讨论仅仅公开和描述了本发明的示例实施方式。通过这些讨论和附图及权利 要求，本领域普通技术人员将容易认识到，可在不背离所附权利要求限定的本发明的精神 和范围的情况下做出多种变化、改型和变型。
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权利要求
一种对使用多向复合纤维的结构进行模拟的方法，所述方法包括提供关于复合纤维的输入数据；在所述结构中识别多个单元，其中每个单元包括具有不同取向的多个纤维；针对所述多个单元中的每个，计算该单元中的每个纤维的刚度，使用每个纤维的刚度计算值来计算成组纤维取向的刚度，使用所述成组纤维取向的刚度来计算该单元的工程常数，所述工程常数识别出用于该单元中的组合纤维的单元应力，以及计算用于该单元的层构造的等效应力限值；使用计算出的工程常数来计算每个单元上的应力；判定计算出的每个单元上的应力是否超过第一预定应力限值；如果每个单元都不超过所述第一预定应力限值，则判定所述结构是令人满意的；如果计算出的特定单元的应力超过所述第一预定应力限值，则在所述特定单元中对每个纤维执行层上应力计算；以及如果所述特定单元中的每个纤维的层上应力计算值都不超过第二预定应力限值，则判定所述特定单元是令人满意的。
2.如权利要求1所述的方法，还包括如果单元中的单个纤维超过所述第二预定应力 限值，则判定存在失效。
3.如权利要求1所述的方法，其中提供关于复合纤维的输入数据包括提供纤维取向、 纤维材料以及纤维强度和刚度。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述模拟是有限元方法分析模拟。
5.如权利要求1所述的方法，其中计算单元中的每个纤维的刚度包括沿三个正交方向 计算该单元中的每个纤维的刚度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述结构是高压罐。
7.—种对包括多向复合纤维的高压罐进行模拟的有限元方法，所述方法包括 提供关于复合纤维的输入数据；针对所述罐中的多个单层单元，使用经典叠层理论将多个纤维转化为单层单元，所述 转化包括计算工程常数，所述工程常数识别出用于该单元中的组合纤维的单元应力； 使用计算出的工程常数来计算每个单元上的应力； 判定计算出的每个单元上的应力是否超过第一预定应力限值； 如果每个单元都不超过所述第一预定应力限值，则判定所述罐是令人满意的； 如果计算出的特定单元的应力超过所述第一预定应力限值，则在所述特定单元中对每 个纤维执行层上应力计算；以及如果所述特定单元中的每个纤维的层上应力计算值不超过第二预定应力限值，则判定 所述特定单元是令人满意的。
8.如权利要求7所述的方法，其中将多个纤维转化为单层单元包括计算所述单元中的 每个纤维的刚度，使用每个纤维的刚度计算值来计算成组纤维取向的刚度，使用所述成组 纤维取向的刚度来计算所述单元的工程常数，以及计算用于所述单元的层构造的等效应力 限值。
9.如权利要求8所述的方法，其中计算所述单元中的每个纤维的刚度包括沿三个正交 方向计算所述单元中的每个纤维的刚度。
10. 一种对包括多向复合纤维的结构进行模拟的系统，所述系统包括 提供关于复合纤维的输入数据的装置；针对所述罐中的多个单层单元使用经典叠层理论将多个纤维转化为单层单元的装置， 所述转化包括计算工程常数，所述工程常数识别出用于所述单元中的组合纤维的单元应 力；使用计算出的工程常数来计算每个单元上的应力的装置； 判定计算出的每个单元上的应力是否超过第一预定应力限值的装置； 如果每个单元都不超过所述第一预定应力限值则判定所述结构是令人满意的装置； 如果计算出的特定单元的应力超过所述第一预定应力限值则在所述特定单元中对每 个纤维执行层上应力计算的装置；以及如果所述特定单元中的每个纤维的层上应力计算值都不超过第二预定应力限值则判 定所述特定单元是令人满意的装置。
全文摘要
一种在用于设计高压罐的FEM模拟中计算多向复合材料的方法。该方法起始于读取用于模拟的数据，这些数据包括纤维取向和复合材料性质。然后，对于每个FEM单元，该方法计算带方向的层的刚度并且将计算出的刚度转化为用于每层的局部坐标系统。该方法随后计算作为层构造的成组纤维取向的刚度。该方法随后计算用于层构造的工程常数和用于层构造的应力限值的等效值。该方法随后使用工程常数来计算FEM单元上的应力并且判定计算出的应力是否超过用于每个单元的预定应力限值。如果计算出的应力超过该应力限值，那么该算法切换到计算每层应力的复杂应力计算。
文档编号G06F17/50GK101957873SQ20101022933
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者S·费尔, T·居尔, V·舒尔泰斯 申请人:通用汽车环球科技运作公司