投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法
【专利摘要】本发明公开投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，步骤为：确定基体有限元模型的规模；选取solid7单元对基体进行网格剖分，得到基体有限元模型；求出其纤维1根数n1，通过随机分布，将纤维1随机投放到xz平面的基体节点上；求出其纤维2根数n2，通过随机分布，将纤维2随机投放到yz平面的基体节点上；选取beam98单元对纤维1和纤维2进行网格剖分；对基体、纤维1和纤维2进行几何尺寸和材料参数的赋值，即可获得双向混杂增强复合材料有限元模型。本发明具有建模简单、易于实现、同时可大大降低计算量、节省计算成本的优点。
【专利说明】投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及混杂增强复合材料有限元建模领域，尤其涉及一种投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法。
【背景技术】
[0002]混杂增强复合材料，是指两种或两种以上的连续纤维增强同一种树脂基体的复合材料。树脂基体有环氧树脂、双马树脂和热塑性树脂等；增强纤维有玻璃纤维、碳纤维和凯夫拉纤维等的组合。混杂纤维复合材料可以根据结构使用性能要求，通过不同类型纤维、不同纤维的相对含量、不同的混杂方式进行设计，以满足对复合材料结构和功能兼备的要求。
[0003]目前混杂增强复合材料的有限元建模中，对纤维的模拟，可采用实体单元、壳单元、杆单元(或梁单元)。采用前两者单元，会大大增加单元的数量，特别是在纤维数量比较多时，计算成本比较大。而采用杆单元(或梁单元)模拟时，纤维单元和基体单元(实体单元)之间的耦合是一个需要解决的问题。
[0004]对于双向混杂增强复合材料的有限元建模，无论纤维采取何种单元，该单元与实体单元(即基体单元)之间的耦合都难以实现。采用实体单元或壳单元模拟，网格剖分复杂，计算量巨大。采用杆单元(或梁单元)模拟，同样存在网格难以剖分、自由度难以耦合的困难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种建模简单、易于实现、同时可大大降低计算量、节省计算成本的投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法。
[0006]为实现本发明的目的，通过下述技术方案实现:
[0007]—种投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，包括如下步骤:
[0008](I)根据计算所需的精度要求，确定基体有限元模型的规模；
[0009](2)采用MSC.PATRAN或HYPERMESH软件，选取solid单元对基体进行网格剖分，得到基体有限元模型，提取基体有限元模型各节点的位置坐标(X，y, Z)；
[0010](3)根据y方向上纤维I在基体中的体积含量、长度和直径，求出其纤维I根数II1,通过随机分布，将纤维I随机投放到Xz平面的基体节点上，
[0011]所述随机分布的要求为:a、若纤维I长度小于基体在y方向上的长度，并且两根纤维I长度之和大于或等于基体在I方向上的长度，此时要XZ平面的基体节点数与Ill相等，则不让任何两根纤维I投放到基体Xz平面上的同一节点上；b、若两根或多根纤维I长度之和小于基体沿y方向上的长度，则对应基体Xz平面一个节点沿y方向上的纤维数量可能大于1，因而此时nAxz平面的基体节点数，则两根或多根纤维I投放到基体Xz平面上同一个节点并沿y向分布，但要保证该节点沿y方向上的纤维1，任何2根之间的最小距离大于O ;
[0012](4)根据X方向上纤维2在基体中的体积含量、长度和直径，求出其纤维2根数n2，通过随机分布，将纤维2随机投放到yz平面的基体节点上；实现随机投放于X方向上的纤维可以与y方向的纤维是同一种，也可是不同种纤维；
[0013]所述随机分布的要求为:a、若纤维2长度小于基体在X方向上的长度，并且两根纤维2长度之和大于或等于基体在X方向上的长度，此时要yz平面的基体节点数与n2相等，则不让任何两根纤维2投放到基体yz平面上的同一节点上；b、若两根或多根纤维2长度之和小于基体沿X方向上的长度，则对应基体yz平面一个节点沿X方向上的纤维数量可能大于1，因而此时n2>yz平面的基体节点数，则两根或多根纤维2投放到基体yz平面上同一个节点并沿X向分布，但要保证该节点沿X方向上的纤维2，任何2根之间的最小距离大于O ;
[0014](5)采用MSC.PATRAN或HYPERMESH软件，选取beam单元对纤维I和纤维2进行网格剖分；
[0015](6)对基体、纤维I和纤维2进行几何尺寸和材料参数的赋值，即可获得双向混杂增强复合材料有限元模型。
[0016]作为进一步的说明，以上所述纤维I根数Ii1的计算方程式为
【权利要求】
1.一种投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)根据计算所需的精度要求，确定基体有限元模型的规模； (2)采用MSC.PATRAN或HYPERMESH软件，选取solid单元对基体进行网格剖分，得到基体有限元模型，提取基体有限元模型各节点的位置坐标U，y, z)； (3)根据y方向上纤维I在基体中的体积含量、长度和直径，求出其纤维I根数Ii1，通过随机分布，将纤维I随机投放到Xz平面的基体节点上， 所述随机分布的要求为:a、若纤维I长度小于基体在y方向上的长度，并且两根纤维I长度之和大于或等于基体在y方向上的长度，则不让任何两根纤维I投放到基体Xz平面上的同一节点上；b、若两根或多根纤维I长度之和小于基体沿y方向上的长度，则两根或多根纤维I投放到基体Xz平面上同一个节点并沿y向分布，但要保证该节点沿y方向上的纤维1，任何2根之间的最小距离大于O ; (4)根据X方向上纤维2在基体中的体积含量、长度和直径，求出其纤维2根数n2，通过随机分布，将纤维2随机投放到yz平面的基体节点上； 所述随机分布的要求为:a、若纤维2长度小于基体在X方向上的长度，并且两根纤维2长度之和大于或等于基体在X方向上的长度，则不让任何两根纤维2投放到基体yz平面上的同一节点上；b、若两根或多根纤维2长度之和小于基体沿X方向上的长度，则两根或多根纤维2投放到基体yz平面上同一个节点并沿X向分布，但要保证该节点沿X方向上的纤维2，任何2根之间的最小距离大于O ; (5)采用MSC.PATRAN或HYPERMESH软件，选取beam单元对纤维I和纤维2进行网格剖分； (6)对基体、纤维I和纤维2进行几何尺寸和材料参数的赋值，即可获得双向混杂增强复合材料有限元模型。
2.根据权利要求1所述的投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，其特征在
于:所述纤维I根数Ill的计算方程式为
3.根据权利要求1所述的投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，其特征在
于:所述纤维2根数n2的计算方程式为
4.根据权利要求1所述的投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，其特征在于:所述基体的几何尺寸，为基体在X、1、Z方向上的长度；所述基体的材料参数，包括基体的密度以及基体在X、1、z方向上的拉伸模量、剪切模量、泊松比和热膨胀系数。
5.根据权利要求4所述的投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，其特征在于:所述纤维I的几何尺寸，为纤维I在y方向上的长度；所述纤维I的材料参数，包括纤维I的密度以及纤维I在I方向上的拉伸模量、剪切模量、泊松比和热膨胀系数。
6.根据权利要求4所述的投放式双向混杂增强复合材料有限元建模方法，其特征在于:所述纤维2的几何尺寸，为纤维2在X方向上的长度；所述纤维2的材料参数，包括纤维2的密度以及纤维2在X 方向上的拉伸模量、剪切模量、泊松比和热膨胀系数。
【文档编号】G06F17/50GK103853877SQ201310698898
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】黄 俊, 琚宏昌, 董凌 申请人:广西科技大学