一种缝合式夹芯板有限元参数化建模方法与流程

本发明涉及一种复合材料有限元建模，尤其涉及一种缝合式夹芯板有限元参数化建模方法。

背景技术：

缝合式夹芯板一般由上下面板、夹芯层以及缝合线组成。面板常采用高性能的纤维编织复合材料，其具有比强度高、比刚度高、密度小、抗疲劳性能好、耐高温性能好等优点，是缝合式夹芯板的主要承力结构；夹芯层采用轻质泡沫材料，不仅使夹芯板具有良好的隔热性能，而且使面板远离中性面，使得夹芯板具有优异的弯曲性能；缝合线采用高强纤维材料，在厚度方向上将面板和芯层缝合在一起，然后通过树脂固化成型，有效增强了夹芯板的面芯连接，提高了夹芯板结构的z向力学性能。介于以上诸多的优异性能，缝合式夹芯板被广泛应用于航空航天领域。

对缝合式夹芯板进行结构优化设计，是提高结构效率，最大程度发挥结构性能的必要过程。但由于不同缝合线密度及缝合角度夹芯板结构形式复杂，目前缺少对缝合式夹芯板结构的高效率参数化有限元建模方法，难以实现对缝合式复合材料夹芯板的优化设计。

因此，亟待解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种在保障缝合式夹芯板建模精度的同时极大提高建模效率的缝合式夹芯板有限元参数化建模方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种缝合式夹芯板有限元参数化建模方法，包括如下步骤：

(1)、获取缝合式夹芯板的几何特征参数；

(2)、获取缝合式夹芯板的有限元建模特征参数；

(3)、采用几何匹配关系建立缝合式夹芯板有限元模型数据库；

(4)、将上述步骤编成参数化建模脚本程序即完成构建缝合式夹芯板的有限元模型。

其中，所述步骤(1)中缝合式夹芯板包括上、下面板和位于中间的夹芯层，该夹芯层与上、下面板之间通过胶层粘合，并用缝合线缝合为一体；所述几何特征参数包括缝合式夹芯板的长l、宽w、夹芯板各层的厚度hi、缝合线截面半径r、缝合线密度m和缝合角度θ；所述缝合线密度m为：

m＝mhj×mzj

其中，mhj为缝合线行距，mzj为缝合线针距。

优选的，所述步骤(2)中有限元建模特征参数包括：缝合式夹芯板网格尺寸m和夹芯板每层结构的网格层数ni；

其中缝合式夹芯板网格尺寸m为：

m＝max({x|x＝mhj/n,n∈n^*}∩{x|x＝mzj/n,n∈n^*}∩{x|x＝mθ/n,n∈n^*}∩{x|x≤mmax})

式中，max()为求集合内元素的最大值；x为满足单一仿真分析要求的单元尺寸，n为任意正整数，n*为正整数集；mθ为满足缝合角度θ的单元尺寸，其公式为：mθ＝h/tanθ，其中h为夹芯板总厚度，θ为缝合角度；mmax为满足计算需求的有限元单元最大尺寸，其公式为：

式中，min()为求集合内元素的最小值、e为弹性模量、hi为缝合式夹芯板各层厚度、j为缝合式夹芯板层数、ρ为材料密度、ωmax为最高分析频率、ν为泊松比；

所述夹芯板每层结构的网格层数ni为：

式中，hi为各板厚度，m为单元尺寸。

再者，所述步骤(3)中，首先采用六面体单元建立夹芯板有限元模型，对每层结构建立有限元模型单元-节点信息矩阵、节点-坐标信息矩阵和材料属性信息矩阵，并匹配相邻层间单元信息和节点信息；再采用二维单元建立缝合线有限元模型，建立缝合线单元-节点信息矩阵，并将缝合线单元信息和节点信息与夹芯板单元信息和节点信息相匹配。

优选的，所述步骤(4)中，采用msc.pcl语言构建缝合式夹芯板有限元模型，选择单元卡片、材料卡片和节点卡片类型，依次输出单元-节点信息矩阵、材料属性矩阵和节点-坐标矩阵到nastran计算文件；结束nastran计算文件编写，生成缝合式夹芯板有限元模型。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明的建模方法在对缝合式夹芯板进行有限元建模中，采用参数化建模方法，可以快速、方便的得到缝合式夹芯板在不同尺寸、缝合线密度等参数变量下的有限元分析模型，并通过matlab与msc.pcl语言交互编程实现，进而有效缩短建模周期、提升单元质量、提高分析效率和分析精度，能够实现缝合式复合材料夹芯板的高效、高精度分析。

附图说明

图1为本发明中缝合式夹芯板有限元参数化建模流程图；

图2为本发明中缝合式夹芯板的结构示意图；

图3为本发明中缝合式夹芯板的局部示意图；

图4为本发明中生成有限元模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种缝合式夹芯板有限元参数化建模方法，包括如下步骤：

(1)、获取缝合式夹芯板的几何特征参数；

如图2所示，缝合式夹芯板包括上面板1、下面板2和位于中间的夹芯层3，该夹芯层3与上面板1、下面板2之间通过胶层粘合，并用缝合线4缝合为一体；该缝合式夹芯板的几何尺寸选取为250mm×300mm×12mm，即缝合式夹芯板的长l＝250mm、宽w＝300mm，厚h＝12mm，其中上面板的厚度h1为1mm、下面板的厚度h2为1mm、夹芯层的厚度h3为10mm，缝合线的截面半径r选取0.5mm，采用“几”字型缝合方式，相邻行上下交错将上、下面板和夹芯层缝合为一体。

如图3所示，在实际模型中，缝合式夹芯板一般粘结在主承力板5上表面，本发明建立相应主承力板模型以符合实际力学环境，主承力板尺寸为290mm×340mm×6mm。本实施例中采用的缝合角度θ为45°，缝合线密度m为：

m＝mhj×mzj

其中，缝合线行距mhj为15mm，缝合线针距mzj为15mm，即缝合密度m为15mm×15mm。结构材料属性如表1、表2所示。

表1面板和芯层材料属性

表2主承力板及缝合线材料属性

(2)、获取缝合式夹芯板的有限元建模特征参数；

其中有限元建模特征参数包括：缝合式夹芯板网格尺寸m和夹芯板每层结构的网格层数ni；

(2.1)首先计算缝合式夹芯板网格尺寸m；

获取满足计算需求的缝合式夹芯板有限元单元尺寸最大mmax，本实施例选用的最高分析频率为3500hz，通过计算可得单元尺寸mmax为6.5mm，其计算公式为：

式中，min()为求集合内元素的最小值、e为弹性模量、hi为缝合式夹芯板各层厚度、j为缝合式夹芯板层数、ρ为材料密度、ωmax为最高分析频率、ν为泊松比；

获取满足缝合角度θ的最大单元尺寸mθ，本实施例选取的缝合角度θ为45°，计算可得mθ为12mm，其中mθ的计算公式为：mθ＝h/tanθ，其中h为夹芯板总厚度，θ为缝合角度；

根据缝合密度m、mmax和mθ，选择合适的缝合式夹芯板网格尺寸m，具体计算方法为：

m＝max({x|x＝mhj/n,n∈n^*}∩{x|x＝mzj/n,n∈n^*}∩{x|x＝mθ/n,n∈n^*}∩{x|x≤mmax})

式中，max()为求集合内元素的最大值；x为满足单一仿真分析要求的单元尺寸，n为任意正整数，n*为正整数集；mθ为满足缝合角度θ的单元尺寸。具体在本实施例中采用的缝合密度为15mm×15mm，mmax和mθ分别为6.5mm和12mm，则选取合理的网格尺寸为3mm。

(2.2)计算本发明中夹芯板每层结构的网格层数ni为：

式中，hi为各板厚度，m为单元尺寸，本实施例中上面板的厚度为1mm、夹芯层的厚度为10mm、下面板的厚度为1mm和主承力板的厚度为6mm，因此根据单元尺寸设计上面板的网格层数为1、夹芯层的网格层数为3、下面板的网格层数为1和主承力板的网格层数为3。

(3)、采用几何匹配关系建立缝合式夹芯板有限元模型数据库，首先根据缝合式夹芯板的几何特性和各节点、单元之间的关系，采用六面体单元分别对主承力板、上面板、夹芯层和下面板进行单元编号、节点编号，建立有限元模型单元-节点信息矩阵、节点-坐标信息矩阵和材料属性信息矩阵，并匹配相邻层间单元信息和节点信息；再根据缝合密度、缝合角度以及缝合线位置的相互关系，采用二维单元建立缝合线单元-节点信息矩阵，并将缝合线单元信息和节点信息与夹芯板单元信息和节点信息相匹配。本发明中单元-节点信息矩阵，指有限元单元和构成单元节点之间的对应关系矩阵；节点-坐标信息矩阵，指有限元节点及其坐标之间的对应关系矩阵；“匹配相邻层间单元、节点信息”，由于对每层结构单独建模，所得到的有限元模型是各自独立的，为了将各部分模型装配到一起，需要对不同层结构单元和节点进行匹配，消除重复节点。

(4)、将上述步骤编成参数化建模脚本程序即完成构建缝合式夹芯板的有限元模型；具体即采用msc.pcl语言构建缝合式夹芯板有限元模型；将缝合式夹芯板的单元-节点信息矩阵写入nastran计算文件。其中，夹芯板和主承力板单元卡片选用六面体单元chexa，缝合线单元卡片采用杆单元crod。将材料属性信息矩阵写入nastran计算文件，其中缝合线和主承力板为各向同性材料，可将卡片命名为mat1，上面板、下面板和夹芯层为各向异性材料，可将卡片命名为mat9；将节点-坐标信息矩阵写入nastran计算文件，卡片可命名为grid；结束nastran计算文件编写，生成缝合式夹芯板的有限元模型，如图4所示。

本发明的建模方法在对缝合式夹芯板进行有限元建模中，采用参数化建模方法，可以快速、方便的得到缝合式夹芯板在不同尺寸、缝合线密度等参数变量下的有限元分析模型，并通过matlab与msc.pcl语言交互编程实现，进而有效缩短建模周期、提升单元质量、提高分析效率和分析精度，能够实现缝合式复合材料夹芯板的高效、高精度分析。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。