[发明专利]一种复合材料加筋结构固化变形的有限元分析方法

说明书

本发明公开了一种复合材料加筋结构固化变形的有限元分析方法，基于热压罐成型工艺模拟复合材料的整个固化过程，并将固化过程中的树脂包括橡胶态和玻璃态，在不同树脂状态下赋予复合材料不同的材料属性，通过有限元软件完成材料属性的转换；通过分析不同加筋结构的固化变形，归纳得到加筋对不同曲面结构变形的影响规律。本发明根据热压罐成型工艺的特点，模拟复合材料的整个固化过程，将该过程中树脂简化为两种状态：橡胶态和玻璃态，并在不同树脂状态下赋予复合材料不同的材料属性，材料属性的转换过程通过有限元软件ABAQUS中子程序UMAT完成。

技术领域

本发明属于纤维增强复合材料构件成型的技术领域，具体涉及一种复合材料加筋结构固化变形的有限元分析方法。

背景技术

复合材料以其高比强度和比刚度，优良的耐腐蚀，抗疲劳，可设计性强，可大面积整体成型等属性在航空航天等领域得到广泛的应用。在航空领域，复合材料的用量和应用部位已经成为衡量飞行器先进性的重要标志。近年来，随着复合材料技术及其加工技术和检测维修技术的飞速发展，复合材料在军民用飞行器上的用量正大幅提高。

热固性树脂基纤维增强复合材料是目前应用较为广泛的一种复合材料，它是将纤维和树脂混合构成预浸料按着一定的顺序进行铺层，再置于真空袋中放入热压罐中，在一定的温度和压力下，经过固化反应制成。

由于纤维与树脂，复合材料与模具的热膨胀系数等因素的影响，成形后的复合材料工件会与预期的结果有一定的差异，这是由于复合材料工件内部存在残余应力，从而使其发生固化变形，这会严重影响复合材料工件的外形精度，从而造成装配等过程的困难，这也是导致复合材料工件高昂成本的主要原因之一。

因此，必须研究复合材料工件固化变形的影响机理，进而预测复合材料工件在固化后发生的变形，从而通过修正成型过程中的各项参数来减小其固化变形。国内目前各大航空院所及主机厂也逐渐开始进行复合材料外形控制技术研究，机身复合材料整体化结构的应用也刚刚起步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料加筋结构固化变形的有限元分析方法，本发明根据热压罐成型工艺的特点，模拟复合材料的整个固化过程，研究并归纳加筋对复合材料曲面结构固化变形的影响规律。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种复合材料加筋结构固化变形的有限元分析方法，基于热压罐成型工艺模拟复合材料的整个固化过程，并将固化过程中的树脂包括橡胶态和玻璃态，在不同树脂状态下赋予复合材料不同的材料属性，通过有限元软件完成材料属性的转换；通过分析不同加筋结构的固化变形，归纳得到加筋对不同曲面结构变形的影响规律。

为了更好地实现本发明，进一步的，主要包括以下步骤：

步骤S300：根据加筋复合材料结构的设计形状模型的网格结构设置加筋复合材料结构的设计形状模型的边界条件；

步骤S400：根据复合材料固化过程中温度的变化设置变化的温度场，且温度场与热压罐成型过程中实际施加的温度场一致；

步骤S500：根据步骤S400中的温度场中材料属性变化的特征，以及材料的本构关系编写子程序，用于获取固化过程中复合材料因为机械应力和热膨胀带来的形变；

步骤S600：根据步骤S300中的边界条件及形变计算得到构件的形状即是构件固化变形的形状。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S300中为保证模型计算过程收敛，得到准确的计算结果，对加筋曲面典型件的刚度位移进行限定；除壁板及工装对称面上所有节点的对称性边界条件之外，还要对加筋曲面典型件一个面上的点进行刚度位移限定，中心点需固定三个方向的刚度位移，X方向的两点则只需固定Y、Z两个方向的刚度位移而允许有X方向的膨胀，Y向同理。