基于托架模型的Fibersim鋪層設(shè)計(jì)方法研究

陳英函 周磊 王清民 朱楠 陳宇寧 王梓橋

摘 要 Fibersim是一款復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)及工業(yè)仿真專業(yè)軟件，可以通過(guò)創(chuàng)建層壓板等信息對(duì)復(fù)材零件進(jìn)行定義并可以通過(guò)軟件自帶的導(dǎo)入導(dǎo)出接口實(shí)現(xiàn)鋪層設(shè)計(jì)與有限元仿真之間的交互。本文利用Fibersim進(jìn)行托架模型鋪層設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)完整的實(shí)際鋪層等信息導(dǎo)入到仿真軟件中進(jìn)行有限元仿真并與基于理想鋪層設(shè)計(jì)出的托架模型做對(duì)比，分析發(fā)現(xiàn)在模型受壓時(shí)所得出的Mises應(yīng)力結(jié)果圖保持一致，驗(yàn)證了Fibersim聯(lián)合仿真進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的可靠性。對(duì)比分析了改變鋪層順序?qū)κ軌和屑苣Ｐ偷挠绊?，結(jié)果表明，改變鋪層順序?qū)?yīng)力結(jié)果無(wú)影響。

關(guān)鍵詞 Fibersim; 復(fù)合材料；鋪層設(shè)計(jì)；有限元仿真

Study of Fibersim Lay-up Design Method Based

on the Bracket Model

CHEN Yinghan， ZHOU Lei， WANG Qingmin， ZHU Nan， CHEN Yuning， WANG Ziqiao

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Fibersim is a professional software of composite material lay-up design and industrial simulation. It can define the composite parts by creating the laminate plate and other information， and can be through the import and export interface realize the interaction between the lay-up design and the finite element simulation。This paper uses Fibersim to design the bracket model lay-up， import complete design of actual lay-up information into the simulation software for finite element simulation and compared with the bracket model based on the ideal lay-up design， the analysis results show that the Mises stress are consistent when the model is pressed， and verifies the reliability of Fibersim joint simulation for lay-up design. The effect of changing the lay-up order on the pressure bracket model is analyzed， and the lay-up order has no effect on the stress result.

KEYWORDS Fibersim; composite material; lay-up design; finite element simulation

1 引言

碳纖維復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度高，比模量高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域［1-2］，同時(shí)在汽車零部件等民用產(chǎn)品中也有大量的應(yīng)用［3］。在復(fù)合材料產(chǎn)品成型的過(guò)程中，復(fù)合材料鋪層角度等方面的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品性能有直接影響，所以很多研究人員對(duì)復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)展開(kāi)了研究。KIM［4］等人通過(guò)采用不同的纏繞方式，鋪層順序以及鋪層數(shù)設(shè)計(jì)了六組復(fù)合材料傳動(dòng)軸并進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)的有限元仿真，仿真結(jié)果顯示當(dāng)纏繞角度為45°時(shí)復(fù)合材料承受的扭矩最大。Badie［5］等人對(duì)不同鋪層角度的碳纖維管進(jìn)行有限元分析，得出碳纖維鋪層±45°主要是承受扭轉(zhuǎn)力，并且發(fā)現(xiàn)在碳纖維管鋪層設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加0°和90°鋪層可以提高抗扭剛度。趙雄翔［6］等人基于應(yīng)變能對(duì)風(fēng)力葉片進(jìn)行了鋪層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在降低質(zhì)量的同時(shí)提高了靜態(tài)剛強(qiáng)度。孟鑫沛［7］等人對(duì)無(wú)人機(jī)起落架的弓形梁尺寸和材料鋪層進(jìn)行了優(yōu)化，降低了起落架弓形梁的質(zhì)量，顯著提高了緩沖吸能特性。由此可以看出在復(fù)合材料產(chǎn)品的成型過(guò)程中，鋪層設(shè)計(jì)及優(yōu)化顯得極為重要。

Fibersim是一款集復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析、制造于一體的數(shù)字化軟件［8］，其可以對(duì)復(fù)合材料與設(shè)計(jì)中高度復(fù)雜性問(wèn)題進(jìn)行處理，國(guó)內(nèi)秦曉宇［9］等人利用Fibersim軟件針對(duì)碳纖維復(fù)合材料油底殼進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終依據(jù)合格率和完整率確定設(shè)計(jì)中最佳的剪口方案。王招［10］等人基于Fibersim的鋪覆方法探索實(shí)際鋪覆與理論設(shè)計(jì)的偏差，分析其原因并通過(guò)實(shí)際運(yùn)用推論“To Curve”模擬實(shí)際鋪覆的合理性。得出利用“To Curve”鋪覆方法論最貼近實(shí)際的結(jié)論。

基于Fibersim在復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)具有專業(yè)性和獨(dú)特性并且可以通過(guò)自帶接口實(shí)現(xiàn)與仿真交互的特點(diǎn)，本文利用Fibersim設(shè)計(jì)得到實(shí)際鋪層下的托架模型與理想鋪層設(shè)計(jì)出的托架模型做承力對(duì)比，并分析對(duì)比了改變鋪層順序?qū)κ軌和屑苣Ｐ偷挠绊憽?/p>

2 Fibersim鋪層設(shè)計(jì)流程

Fibersim作為一款能夠高效處理復(fù)雜復(fù)合材料零件鋪層設(shè)計(jì)的工具，可以完全集成于三維CAD軟件。Fibersim基于三維制圖軟件進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的步驟如圖1所示，具體流程為：

（1）利用三維制圖軟件進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建；

（2）提取模型的貼膜面和基于貼膜面上的邊界；

（3）基于模型的厚度與鋪層角度進(jìn)行復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)；

（4）將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真軟件中；

（5）對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和加載，設(shè)置求解；

（6）輸出結(jié)果并查看其應(yīng)力圖，若不符合要求，則重新設(shè)計(jì)鋪層并重復(fù)（3）-（6）步驟。

3 基于托架模型的聯(lián)合仿真

3.1 鋪層設(shè)計(jì)

基于Fibersim可以與仿真軟件進(jìn)行交互的特性，本節(jié)利用受壓托架模型來(lái)驗(yàn)證Fibersim進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的可靠性。進(jìn)行算例分析所采用的托架模型如圖2所示，并根據(jù)文獻(xiàn)［11-12］中所示，給出仿真所選碳纖維復(fù)合材料的材料屬性，如表1所示。

由圖2可知，利用三維制圖軟件創(chuàng)建托架模型。提取托架模型表面作為鋪層設(shè)計(jì)的貼膜面并在貼膜面上提取邊界條件，設(shè)置鋪層原點(diǎn)及規(guī)定鋪層0°方向，含鋪層設(shè)計(jì)厚度增長(zhǎng)方向的貼膜面信息如圖3所示。

做好鋪層設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備，按照（0/+45/-45/90）3的鋪層順序進(jìn)行托架模型的設(shè)計(jì)，鋪層厚度的增長(zhǎng)方向?yàn)閳D3中箭頭所指方向，利用Fibersim中的3D視圖功能，可以看到每一層的鋪層序號(hào)以及鋪層厚度的增長(zhǎng)，更可以直觀的看到模型厚度的增長(zhǎng)是否隨著鋪層數(shù)的增加保持均勻，如圖4所示。

3.2 仿真驗(yàn)證

將貼膜面以及鋪層數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真軟件中并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的單元大小設(shè)置為3mm。對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行加載，加載方式是將模型的下邊界固定，托架表面受到數(shù)值大小為0.1Mpa壓力，模型受力示意如圖5所示。將設(shè)置完成邊界條件以及加載的托架模型進(jìn)行受力情況的仿真求解，通過(guò)求解計(jì)算得到應(yīng)力結(jié)果，根據(jù)圖6中顯示能觀察到應(yīng)力最大值與最小值所在的區(qū)域。

接著基于理想鋪層對(duì)托架模型進(jìn)行建模，加載方式同上，求解得出應(yīng)力結(jié)果如圖7所示，將仿真求解所得到的應(yīng)力結(jié)果與基于實(shí)際鋪層求解的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比發(fā)現(xiàn)對(duì)于受壓托架模型兩種方式的應(yīng)力結(jié)果基本吻合，證實(shí)了Fibersim聯(lián)合仿真進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的可靠性。

驗(yàn)證了Fibersim聯(lián)合仿真進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的可靠性，采用同上的加載方式，基于兩種常見(jiàn)的鋪層方式針對(duì)受壓托架模型進(jìn)行應(yīng)力求解，分析改變鋪層順序?qū)κ軌和屑苣Ｐ偷氖芰η闆r的影響。鋪層順序選取（0/+45/90/-45）3和（0/90/+45/-45）3，求解得到了應(yīng)力結(jié)果分別如圖8和圖9所示，根據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)改變鋪層順序?qū)κ軌和屑苣Ｐ偷氖芰η闆r不產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）將基于實(shí)際鋪層設(shè)計(jì)與基于理想鋪層設(shè)計(jì)出的托架模型在相同載荷下進(jìn)行比較，應(yīng)力結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)在模型受壓時(shí)所得出的Mises應(yīng)力結(jié)果圖保持一致，驗(yàn)證了Fibersim聯(lián)合仿真進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的可靠性。

（2）相同大小的壓力下，采用（0/+45/-45/90）3、（0/+45/90/-45）3、（0/90/+45/-45）3三種不同的鋪層順序，對(duì)比分析了改變鋪層順序?qū)κ軌和屑苣Ｐ偷某辛τ绊?，結(jié)果表明，改變鋪層順序?qū)Τ辛Σ划a(chǎn)生影響。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王育虔，劉展，杜金強(qiáng).高應(yīng)力水平下T700/MTM46復(fù)合材料層合板拉-拉疲勞性能研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2019（4）：31-36.

［2］蔡菊生.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.合成材料老化與應(yīng)用，2018，47（6）：94-97.

［3］王曉輝，薛允臻，常亮，聶小華.基于SQLite的航空典型復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)模型的高效設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.纖維復(fù)合材料，2022，39（02）：64-68.

［4］Kim J K， Mai Y W. High strength， high fracture toughness fibre composites with interface control. A review［J］. Compos Sci Technol，1991，41（4）：333-334.

［5］Badie M A， Mahdi E， Hamouda A M S. An investigation into hybrid carbon glass fiber reinforced epoxy composite automative drive shaft［J］. Materials and Design， 2011， 32（3）： 1485-1500.

［6］韓子豪.基于激光投影的風(fēng)電葉片鋪層精準(zhǔn)定位技術(shù)研究［J］.纖維復(fù)合材料，2022，39（02）：75-78.

［7］辛志東，杜娟，聶彥平，毛森鑫.某全泡沫夾芯復(fù)合材料無(wú)人機(jī)平尾的強(qiáng)度分析與驗(yàn)證［J］.纖維復(fù)合材料，2022，39（04）：61-64.

［8］洪清泉，呂長(zhǎng)，王招.Fibersim復(fù)合材料設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社，2019，1（4）：39-42.

［9］秦曉宇，馬其華，周琪，等.基于Fibersim的碳纖維復(fù)合材料油底殼設(shè)計(jì)［J］. 工程塑料應(yīng)用，2022，50（2）：61-68.

［10］王招，陳俊林，王志勇.基于Fibersim的鋪覆方法論優(yōu)化復(fù)合材料工藝鋪覆精度的研究［J］.纖維復(fù)合材料，2021，38（2）： 44-48.

［11］張桂明，劉超凡，鄭磊，唐自佳，祖磊，張騫.基于遺傳算法的不等開(kāi)口復(fù)合材料殼體纏繞角優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.纖維復(fù)合材料，2022，39（04）：18-23.

［12］王偉，常新龍，張有宏，等.T700纖維纏繞發(fā)動(dòng)機(jī)殼體力學(xué)性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（7）： 2962-2966.