本發(fā)明涉及復合材料構件領域，尤其涉及復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法。
背景技術：
：碳纖維增強樹脂基復合材料是以樹脂為基體、碳纖維為增強體，采用先進復合材料的成型加工方法制備的一系列高性能復合材料。復合材料結構在經歷高溫固化及冷卻成型過程后，受熱應力的作用、基體樹脂的化學反應收縮效應，以及復合材料與成型模具的相互作用，復合材料在室溫下的自由形狀與預期的理想形狀之間會產生一定程度的不一致，通常將這種不一致狀態(tài)稱為構件的固化變形。固化變形會影響構件的外形精度。我們嘗試通過熱校形工藝對發(fā)生固化變形的復合材料零件進行再加工，修正復合材料的形狀，降低廢品率，方便零件裝配。熱校形工藝過程：零件在外力的作用下貼覆到校形模具表面，在高溫下保持載荷一段時間后卸載，修正零件的外形輪廓。影響熱校形效果的因素包括熱校形溫度、熱校形時間和熱校形載荷。不同的校形時間和校形載荷，熱校形后零件形狀不同，因此需要建立一套復合材料熱校形工藝的有限元模擬方法，用模擬替代重復的試錯性實驗。對給定的復合材料結構，給出優(yōu)化的熱校形工藝參數?？s短熱校形工藝參數確定的周期，節(jié)約生產成本。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術問題是為了克服現(xiàn)有技術難以準確模擬復合材料的熱校形工藝過程的缺陷，提出一種復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法。本發(fā)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：本發(fā)明提供了一種復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，其特點在于，包括以下步驟：步驟一、建立復合材料的L形構件模型，所述L形構件模型包括短腹板和長腹板，輸入復合材料在若干方向上的力學參數和熱膨脹參數；步驟二、采用有限元軟件中的殼單元對所述L形構件模型進行網格劃分，建立L形構件的有限元模型；步驟三、將所述L形構件的有限元模型中的短腹板的三點簡支約束作為邊界條件，對所述有限元模型施加溫度載荷ΔT，通過如下公式計算所述L形構件的固化變形，公式中，aI、aT分別表示復合材料的面內熱膨脹系數、厚度方向熱膨脹系數，ΔT表示材料成型降溫過程中的溫度變化，Δθ表示所述L形構件的角度的變化量，θmoId表示熱校形工藝中所用的成型模具的角度；步驟四、對所述L形構件的有限元模型施加校形載荷，其約束條件為所述短腹板水平橫放，使所述長腹板旋轉預設的旋轉角度；步驟五、對所述L形構件的有限元模型模擬應力松弛過程，所述應力松弛過程近似為面內剪切應力的應力松弛，并且在所述應力松弛過程中，保持所述校形載荷的約束條件不變；步驟六、模擬脫模過程，其中去掉所述校形載荷，恢復約束條件為三點簡支約束，以得到所述L形構件模型最終的殘余應力和變形狀態(tài)。較佳地，步驟一中輸入復合材料在所述L形構件的面內方向和厚度方向上的力學參數和熱膨脹參數。較佳地，所述面內方向由面內縱向和面內橫向構成。較佳地，所述力學參數包括彈性模量和剪切模量。較佳地，步驟四中的所述旋轉角度大于3°且小于10°。較佳地，所述復合材料為織物增強熱固性復合材料。較佳地，所述復合材料為碳纖維增強樹脂基復合材料。較佳地，所述有限元軟件為abaqus軟件。較佳地，所述殼單元為S4R單元，即線性縮減積分殼單元。較佳地，步驟五中采用abaqus軟件的子程序UMAT模擬應力松弛過程。在符合本領域常識的基礎上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實例。本發(fā)明的積極進步效果在于：本發(fā)明的復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，能夠預報復合材料的固化變形和其在校形載荷下的應力松弛行為，準確模擬復合材料的熱校形工藝過程，尤其是碳纖維增強樹脂基復合材料的熱校形工藝過程。附圖說明圖1為本發(fā)明一較佳實施例的仿真模擬方法中建立的L形構件模型的示意圖。圖2為本發(fā)明一較佳實施例中對圖1中的L形構件模型進行網格劃分后得到的有限元模型的示意圖。圖3為本發(fā)明一較佳實施例中的L形構件在熱校形前的形狀示意圖。圖4為本發(fā)明一較佳實施例中的L形構件在熱校形后的形狀示意圖。具體實施方式下面結合說明書附圖，進一步對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細描述，以下的描述為示例性的，并非對本發(fā)明的限制，任何的其他類似情形也都落入本發(fā)明的保護范圍之中。在以下的具體描述中，方向性的術語，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，參考附圖中描述的方向使用。本發(fā)明的實施例的部件可被置于多種不同的方向，方向性的術語是用于示例的目的而非限制性的。參考圖1所示，本發(fā)明一較佳實施例的復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，包括以下步驟：步驟一、建立復合材料的L形構件模型，所述L形構件模型包括短腹板和長腹板，輸入復合材料在若干方向上的力學參數和熱膨脹參數；步驟二、采用有限元軟件中的殼單元對所述L形構件模型進行網格劃分，建立L形構件的有限元模型；步驟三、將所述L形構件的有限元模型中的短腹板的三點簡支約束作為邊界條件，對所述有限元模型施加溫度載荷ΔT，通過如下公式計算所述L形構件的固化變形，公式中，aI、aT分別表示復合材料的面內熱膨脹系數、厚度方向熱膨脹系數，ΔT表示材料成型降溫過程中的溫度變化，Δθ表示所述L形構件的角度的變化量，θmold表示熱校形工藝中所用的成型模具的角度，其中，熱校形前復合材料的L形構件的形狀，可參考圖3所示；步驟四、對所述L形構件的有限元模型施加校形載荷，其約束條件為所述短腹板水平橫放，使所述長腹板旋轉預設的一旋轉角度；步驟五、對所述L形構件的有限元模型模擬應力松弛過程，所述應力松弛過程近似為面內剪切應力的應力松弛，并且在所述應力松弛過程中，保持所述校形載荷的約束條件不變；步驟六、模擬脫模過程，其中去掉所述校形載荷，恢復約束條件為三點簡支約束，以得到所述L形構件模型最終的殘余應力和變形狀態(tài)，其中，熱校形前復合材料的L形構件的形狀可參考圖4所述。在如圖3、4中示出的這一例子中，L形構件在熱校形前后，其長腹板和短腹板間的夾角可由圖3所示的88.9°變?yōu)閳D4所示的89.8°。具體來說，本實施例中，選取T300碳纖維織物增強環(huán)氧樹脂基復合材料的L形構件作為研究對象，在abaqus環(huán)境下建立如圖1所示的L形構件模型，其由短腹板、長腹板、拐角三部分組成。對圖1所示的L形構件模型，采用S4R單元進行網格劃分，建立起有限元分析模型，如圖2所示。容易理解的是，盡管本發(fā)明針對L形構件進行說明，但容易將本發(fā)明推廣到形狀結構更復雜的構件中。在本發(fā)明的仿真模擬方法中，為了簡化模擬過程，本發(fā)明的建模建立在以下假設的基礎上。即，復合材料中為連續(xù)纖維且纖維在樹脂中均勻分布，在模擬固化變形時可以認為復合材料近似是彈性的。本實施例中，輸入的復合材料在不同方向上的力學參數和熱膨脹參數，如下表1所示。表1密度(g/cm3)1.154面內縱向模量EX(Pa)6.0E+10面內橫向模量EY(Pa)6.0E+10泊松比PRXY0.042剪切模量GXY(Pa)3.36E+9剪切模量GXZ(Pa)3.47E+9軸向熱膨脹系數ALPX(T-1)1.67E-06面內橫向熱膨脹系數ALPY(T-1)1.67E-06法向熱膨脹系數ALPZ(T-1)79.66E-6在網格劃分建立L形構件的有限元模型后，計算復合材料的固化變形及殘余應力分布情況。在如上計算了構件的固化變形后，進行應力松弛的模擬，具體如下。首先對L形構件的有限元模型施加校形載荷，邊界條件為約束短腹板水平橫放，對L形構件長腹板旋轉一定角度，在本實施例中旋轉6°。然后，模擬應力松弛過程，在此過程中保持校形載荷約束條件不變，并采用具有粘彈性特征的復合材料本構關系，通過abaqus自定義子程序UMAT實現(xiàn)。應力松弛過程的模擬，基于以下假設或是近似，即材料的經向和緯向不發(fā)生應力松弛，并滿足層合板理論，因而材料的應力松弛可近似為面內剪切應力的應力松弛。本實施例的復合材料的L形構件的面內剪切應力松弛規(guī)律接近于四元件模型，可由以下公式(1)表示：其中表示松弛過程中t時刻的面內剪切應力、表示初始狀態(tài)的面內剪切應力，t表示熱校形時間。A、B、C、n、a66為系數。本實施例中，公式(1)中的系數分別可測得為，A＝19.18、B＝0.85、C＝-21.03MPa、n＝0.00048s-1、a66＝1。通過UMAT子程序，計算得到材料經歷應力松弛后的應力狀態(tài)。以下對表示上述面內剪切應力松弛規(guī)律的公式作進一步說明。經典的四元件模型描述的是各向同性材料的應力松弛行為，可以表示如下：σt＝(σ0-σ∞)e-′/τ+σ∞(2)公式(2)中σ′表示材料在t時刻的應力，σ0表示應力松弛前材料的應力，σ∞表示松弛時間無窮大時材料的應力。t為時間，τ為應力松弛時間。對于本實施例的織物增強復合材料，在模擬過程中，假設經緯向不發(fā)生應力松弛，則復合材料的應力松弛主要是面內剪切應力的松弛，在本實施例中得到面內剪切應力松弛規(guī)律由公式(1)所示?？梢钥吹剑緦嵤├械乃沙谝?guī)律(即公式1)與經典的四元件模型的公式形式(公式2)類似，應力同樣按指數函數衰減，但σ∞項變?yōu)槠錇榕c初始應力有關的一函數。對于公式(1)，本領域技術人員可根據上述思路參照現(xiàn)有技術中的相關文獻進行推導，在此不再贅述。復合材料具有各向異性，復合材料構件在熱壓罐工藝過程中經歷復雜的物理、化學變化，往往產生嚴重的固化變形問題。并且，復合材料構件在經歷熱壓罐工藝后往往具有嚴重的殘余應力，殘余應力與校形載荷使得構件產生的內應力一樣，都會在高溫下發(fā)生松弛。因此，準確分析、預報構件的固化變形和殘余應力是實現(xiàn)熱校形工藝預報分析的最重要的基礎。另一方面，復合材料構件在高溫下的應力松弛行為，是指材料在位移不變的情況下，應力隨時間發(fā)生衰減的行為，是熱校形工藝的原理和物理本質。本發(fā)明的仿真模擬方法能夠準確預報復合材料構件經歷熱壓罐工藝后的固化變形和殘余應力分布，并基于有效應力-應變理論，通過有限元分析軟件，將粘彈性模型嵌入計算，形成對復合材料構件應力松弛行為的有限元模擬辦法，尤其適用于碳纖維增強樹脂基復合材料的熱校形工藝過程的模擬。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發(fā)明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3