CN108984809A - 一种新的提高含偏心孔复合材料层合板抗拉能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能够改善含偏心孔复合材料层合板孔边应力集中的方法，其特征是根据带偏心孔层合板在一定载荷下的最大主应力方向，利用流体在流动时产生的速度流线最大程度的拟合最大主应力方向获得预浸料窄带曲线铺放的轨迹，制备预浸料窄带曲线铺放的层合板来改善含偏心孔层合板孔边应力集中。首先获得传统直线铺放层合板不同点位的最大主应力方向，其次根据获得的最大主应力方向模拟流体在管道中的流动趋势，最后获得速度流线。在获得速度流线前需要建立合适的管道模型并对各项参数进行设置。该方法充分利用的了流体在管道中流动时形成的速度流线，不仅操作简单，更重要的是能够改善孔边应力集中，提高层合板的承载能力。

Description

一种新的提高含偏心孔复合材料层合板抗拉能力的方法

技术领域

本发明涉及利用流体的速度流线来生成预浸料窄带的铺放轨迹，提高含偏心孔复合材料层合板的抗拉能力。

背景技术

碳纤维复合材料具有比强度高，比模量高，耐疲劳，耐腐蚀及可设计性等优点，广泛应用于航空航天，医学，建筑，能源等领域，受到人们越来越多的关注。在实际应用中，常需要在复合材料层合板上开孔或槽，这会导致在孔或槽周围产生应力集中，降低层合板的承载能力。随着复合材料在各个领域的发展，对复合材料的结构提出了更高的要求。

传统的复合材料层合板多采用直线单层板层叠制备，单向预浸料铺层板多为0°，90°，±45°铺层方向，碳纤维的可设计性受到限制，也不能充分发挥碳纤维的承载能力，且在制备过程中也存在浪费量大的问题。随着丝束铺放技术和自动化技术的发展，已经可以实现单层板内不同位置处纤维角度连续变化的轨迹的铺放。

较早的纤维轨迹设计方法是先设计出一条通过中心点的参考轨迹，通过平移法或者平行法获得整个板的铺放轨迹，但平移法会导致纤维重叠或存在空隙，平行法则会使相邻两层的刚度变化不平衡，这些都会对层合板的性能产生影响。目前对于纤维铺放轨迹的设计有了更多的方法，有些方法能够较好的规划出纤维铺放轨迹，但是设计参数较多，计算量比较大，实现过程复杂，有些方法规划出的轨迹，虽然能提高复合材料层合板的力学性能，但是其在纤维排布以及制造方面存在问题。

目前，虽然纤维铺放轨迹的设计方法有所增加，但是有些设计方法只适用于某些特定的载荷工况。对于螺栓连接单钉双剪层合板孔边应力集中的改善还需要设计出一种行之有效的铺放轨迹。

发明内容

本发明要解决的问题是：克服现有技术的不足，提出一种能够改善螺栓连接单钉双剪层合板孔边应力集中，提高层合板承载能力的方法。按照本发明权利要求1特征的方法实现目标，通过接下来从属权利要求的特征具体阐述本发明。

利用有限元方法分析，建立带偏心孔复合材料层合板的几何模型，通过合适的载荷施加方式及边界条件设置方式可以得到复合材料层合板在单钉双剪受力工况下的简化受力模型，运行该模型。模型成功运行完成后，对其应力云图进行观察，能够直观地了解到整个层合板应力的大致分布情况。对运行后的部分数据进行处理，得到模型各个单元积分点的坐标和最大主应力大小及方向(利用获得的最大主应力的大小也能大致确定层合板的应力分布情况)，然后利用获得的数据编写绘图程序，绘制出层合板最大主应力方向，确定孔周围区域以及其他区域最大主应力方向分布的特点。由此，可以确定层合板不同区域的应力其最大主应力方向具有怎样的特点。

已经知道最大主应力在整个板上的分布情况，接下来就要将流体在流动时产生的速度流线与最大主应力的分布情况联系起来。在模拟流体的流动趋势之前，先要建立合适的模型，所建立的模型要具有截面是矩形的U型管道的特点，这样保证产生的速度流线和最大主应力方向具有相似的趋势，同时模型也要具有带偏心孔层合板的特点，这样保证产生的速度流线最大程度拟合层合板的最大主应力矢量场。尺寸方面，本发明实施例建立管道模型的宽和边心距是真实模型的1.4倍，长度是真实模型的0.5倍，复合材料层合板偏心孔中心到板宽的距离称为边心距。利用该模型进行流体分析，将分几个大的步骤对模型进行处理，第一步是模型导入，第二步是网格划分，其中包括对入口和出口的选择，第三步流体分析求解设置，求解设置是一个比较关键的部分，其中包括湍流模型的选择，流体材料，速度入口速度大小的设置等，速度不能取太大的值。第四步就是后处理，获得我们最终需要的速度流线。

与现有的规划纤维铺放轨迹的技术相比，本发明是在更加符合带偏心孔层合板的实际受力情况提出的轨迹规划方法，实现过程相较于其他方法更加快速简洁，并且对于改善孔边应力集中，提高层合板的承载能力更有实际的应用价值，具有广阔的应用前景。

附图说明

以下借助实施例附图详细说明本发明的方法。其中：

图1是本发明实施例设计流程图

图2是本发明实施例中复合材料层合板结构和载荷施加位置及方向示意图

图3是本发明实施例中复合材料层合板边界条件示意图

图4是本发明实施例中复合材料层合板单向拉伸载荷平面内最大主应力方向图及孔周围局部放大图

图5是本发明实施例中孔周围最大主应力方向变化示意图

图6是本发明实施例建立的管道模型二维图

图7残差曲线图

图8是利用建立的管道模型获得的速度流线图

图9是根据速度流线截取复合材料层合板预浸料窄带曲线铺放的铺放轨迹示意图

具体实施方式

本发明获得速度流线的流程如图1所示。

利用有限元方法分析，建立几何模型，模型如图2所示，长a＝155mm，宽b＝36mm，孔的直径d＝6mm，孔的定位尺寸边心距e＝18mm，c＝18mm。载荷施加在孔的右表面，边界条件为复合材料层合板的左侧面1沿X轴方向的位移为0，点2沿Y轴，Z轴的位移为0，点3沿Y轴的位移为0，如图3所示。当然，对于该模型还有一些操作，这里不再赘述。由此建立复合材料层合板螺栓连接单钉双剪的简化模型，成功运行该模型后，对运行后的部分文件进行处理，获得模型每个单元的积分点坐标和最大主应力方向。

利用获得的数据，编写程序，绘制出复合材料层合板在单向拉伸载荷平面内最大主应力方向图，如图4所示。为了便于观察，图4还给出了孔周围最大主应力方向的局部放大图。

图4其实是由很多带有方向的小线段组成，线段的方向就是该点的最大主应力方向，观察图4会发现在远离孔的区域最大主应力呈直线分布，应力云图中该区域应力较小，从局部放大图可以看出，在孔施加载荷的一侧最大主应力绕着孔呈环状分布，在孔的上下两侧，最大主应力还有一个类似绕流的趋势，应力云图中孔周围也是应力比较集中的区域。在实际应用中，复合材料层合板开孔就意味着要用这个孔进行螺栓连接等操作，那么就会导致层合板在受力时孔与螺栓接触的表面受到挤压应力，导致孔周围最大主应力方向具有环向分布的特点，本发明所用模型的载荷施加方式就是对实际受力情况的一种简化。通过图5则能更清晰地看出复合材料层合板在这种受力情况下最大主应力的方向变化的趋势。

知道了复合材料层合板在这种载荷状况下最大主应力方向变化的趋势，而流体在截面是矩形的U型管道内流动时，流体的速度流线也具有相似的趋势，因此采用流体在流动时产生的速度流线作为预浸料窄带曲线铺放的轨迹。建立管道模型时，模型即要有U型管的特点即所谓“U”型，图6(b)给出了U型管道的几何图形示意图，也要有层合板的几何特点，主要特点是孔的大小及孔在管道模型中的位置，孔的位置不是任意的，管道模型中的孔与图2中孔的位置有关系。管道的几何图形如图6(a)所示。管道模型的边心距为真实边心距的1.4倍，管道的宽也是真实板宽的1.4倍，长度是真实长度的0.5倍，管道的厚度跟真实模型的厚度相同为2mm。真实边心距，板宽，长度就是图2的模型尺寸。

观察图6会发现，在孔的下面有一条缝隙4，缝隙4宽0.2mm，这条缝隙是必不可少的，由于这条缝隙的存在层合板孔以下的模型被分为左右两部分，使层合板模型变形成为管道模型。在利用该模型进行流体分析时，要选择流体的入口以及出口，如果没有这条缝隙，层合板孔以下的部分仍然是一个整体，无法选择入口及出口，这一部分则不能成功设置。同时这条缝隙不能太宽，图5给出了最大主应力方向变化的趋势，在孔的上部及下部最大主应力方向变化存在着一个类似绕流的趋势，如果在建立模型时孔下边的缝隙过宽，就会影响流体在流过孔边绕流时形成的速度流线的趋势。孔周围是应力比较集中的区域，要求尽量减小影响流体流动趋势的影响因素，使获得的速度流线更加准确。

管道模型建立完成后，就要利用该模型进行流体分析获得所需速度流线。

第一步模型导入

第二步模型网格划分

(1)选择流体的入口及出口

(2)选择合适的网格划分方式

第三步流体分析求解设置

(1)求解模型选择湍流粘度模型。该模型通过求解两个附加方程来确定湍流粘度系数，进而求解湍流应力，完成对模型的求解。

(2)流体材料选择水。其密度为998.2kg/m³，比热容为4182J/(kg·k)，导热系数为0.6w/(m·k)。

(3)边界条件中入口选择速度入口，水流速度通过优化，确定其不超过0.003m/s，获得的速度曲线能够更好的拟合最大主应力场。出口选择压力出口，未设置的边界默认为墙，参数不变，保持默认。

(4)求解方法中参数不变，保持默认即可。

(5)初始化时要将全部区域都进行初始化。

(6)进行迭代时迭代次数可以先设置为200次。收敛后的残差曲线如图7所示，横坐标代表迭代次数，纵坐标代表残差，曲线5为x方向速度残差，曲线6为y方向速度残差，曲线7为z方向速度残差，曲线8为连续性的残差，曲线9为湍动能残差。

第四步后处理

这样就获得了所需速度流线图，如图8所示。观察该图，速度流线在孔的上部及下部并不是完全对称，为了尽量减轻这种不对称性，对水流速度进行优化，要求不超过0.003m/s。本发明实施例速度流线的轻微不对称是可以接受的，并且在制备预浸料窄带曲线铺放的层合板时，所采用的预浸料窄带的宽度dw为2mm，如图8所示。根据预浸料窄带宽度，合理离散流体在管道内流动时产生的速度流线，得到预浸料窄带曲线铺放的铺放轨迹。

从图8可以很明显的看出，速度流线在离孔比较远的区域是没有的，那么为了防止所需轨迹的缺失，本发明实施例对管道模型的尺寸参数进行优化设计，其宽度和边心距设置为真实模型的1.4倍，通过截取利用该模型获得的速度流线图，截取的尺寸就是真实模型的尺寸，就能很好的解决轨迹缺失的问题了。截取速度流线示意图如图9所示。铺放时以预浸料窄带的一条边对准一条铺放轨迹线，从靠近孔边的位置开始铺放，如果遇到两条铺放轨迹的间距大于2mm，预浸料窄带沿着下一条铺放轨迹进行铺放。在铺放时要注意，缝隙处没有轨迹，本发明实施例采用预浸料窄带直接进行填补。本发明实施例管道模型的长度为真实模型的一半，原因在于水流在没有绕过孔时，速度流线都是直线，不必要将模型建立的太长，铺放时直接沿着速度流线直线部分进行延长至真实模型的长度即可。这样就利用流体力学的相关知识解决了固体力学的问题，实现过程快速简洁，对于改善层合板螺栓连接单钉双剪这种受力情况下孔边的应力集中，提高层合板的承载能力更有实际价值，具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.本发明公开一种能够改善含偏心孔复合材料层合板孔边应力集中的方法，其特征是根据带偏心孔复合材料层合板在一定载荷工况下的最大主应力方向，利用流体在流动时产生的速度流线最大程度的拟合最大主应力方向获得预浸料窄带曲线铺放的轨迹，制备预浸料窄带曲线铺放的层合板来改善含偏心孔复合材料层合板孔边应力集中。首先，利用有限元分析方法，获得相同工况下，相同几何尺寸的传统直线铺放复合材料层合板内不同点位的最大主应力方向；其次，建立符合几何形状要求的管道模型，对各项参数进行设置，使得管道内速度流线能最大程度拟合层合板的最大主应力方向。根据预浸料窄带宽度，通过合理离散流体在管道内流动时产生的速度流线，生成预浸料窄带曲线铺放的铺放轨迹。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于用限元分析方法，获得相同工况下，相同几何尺寸的传统直线铺放复合材料层合板内不同点位的最大主应力方向。首先需要建立有限元模型，施加特定载荷及更符合实际情况的边界条件。其次是对有限元模型分析结果进行后处理，获得层合板内不同点位的最大主应力方向。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于模拟流体在管道中的流动趋势，该流动趋势是根据复合材料层合板内不同点位的最大主应力方向得到的，最后获得流体在流动时产生的速度流线。获得速度流线时需要建立符合几何形状要求的管道模型，建立的模型既具有含偏心孔复合材料层合板的几何特点也要满足对管道大致几何形状的要求。模型建立完成后利用该模型进行流体分析，进行各项参数的设置。根据预浸料窄带宽度，通过合理离散流体在管道内流动时产生的速度流线，获得预浸料窄带曲线铺放的铺放轨迹。