第五章、复合材料计算机辅助设计

第五章、纺织结构复合材料的计算机辅助设计与集成制造系统纺织结构复合材料第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•什么是计算机辅助设计系统？•计算机辅助设计（computerAidedDesign,简称CAD）是工程技术人员借助于计算机系统进行工程设计的一种综合性高技术。•基本内容包括：–科学分析计算–工程数据管理–图形绘制第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•1972年国际信息处理联合会（IFIP）定义•计算机辅助设计（CAD）：–是任何机器混编在解题专业组中的一种技术。从而将人和机器的最好特性紧密的结合起来，因此这个专业组的工作较他们的任何单独一个的工作都要好。第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•CAD的应用领域：–机械织造、汽车、航空、大规模集成电路•CAD在复合材料领域应用也很广泛–1988,CAD技术在复合材料方面应用的国际会议首次在英国召开。–近年来，随着高容量、高速度的微型计算机的普及，CAD技术在复合材料及其产品设计中应用更加深入。第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•为什么需要计算机辅助设计系统？–用于生产纺织结构复合材料的原料比较昂贵–纺织结构的复杂性（三维纺织结构预制件）和复合材料结构的复杂性，使复合材料设计难度增大–提前对复合材料性能进行预测分析，减少实验和开发成本，缩短研发时间。第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•纺织结构复合材料设计的特点•多层次性–单层材料设计–层合板设计–结构设计•灵活性•复杂性第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•纺织结构复合材料设计流程第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•计算机辅助设计的常用分析方法•1.常用计算方法–矩阵运算、方程求根，线性方程组求解、曲线拟合等•2.计算机绘图–AUTOCAD软件包–3DMAX–Solidworks•3数据库技术第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•纺织结构复合材料计算机辅助设计示例•层合板的计算机辅助优化设计–纤维增强复合材料，相对密度低，强度和刚度较高，被广泛的应用与航空、航天、造船、汽车等领域。–需要综合考虑材料价格、重量和性能等问题–层合板的强度和刚度在几个方向上都能够独立设计，对应于不断增加的变量，为获得最优设计需要一种自动优化设计方法。第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•纺织结构复合材料计算机辅助设计示例•层合板的结构参数–为了使单位面积质量m最小，需要确定铺层角（θ1θ2…θn）–以及对应的每层厚度（t1t2…tn）第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•层合板受到面内力（Nx,Ny,Nxy）以及弯矩（Mx,My,Mxy)的作用。假设用和（Kx,Ky,Kxy)表示层合板面应变和曲率，那么其应力-应变关系可写成如下形式：其中000xyxy（，，）第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•（3*3）阶矩阵[A]和[D]为面内和弯曲刚度，矩阵[B]为耦合刚度•一旦面应变[0]和曲率[K]已知，可推导出每层的应变和应力。•设计的约束条件可定义：最大应变、最大应力、Hoffman或Tsai-wu等。第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•对于正交各向异性材料，最常用的失效准则是Tsai-Hill准则：•式中，F1、F2是对应纯拉伸或者纯压缩时的失效应力，而F12是纯剪切时的失效应力。第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•下面关于每层和厚度和铺层的角度对层合板进行优化，优化的约束条件可以是应力，应变，厚度和铺层角。•假设：T300/5208（碳/环氧复合材料）第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•层合板受力情况如图所示，其中Nx/Ny=0.5。用Tsai-Hill准则来作为每层应力的极限条件，从初始设计的正负300铺层角出发，通过8次迭代就能找到最终的优化设计方案。第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•纤维层合板计算机优化设计结果第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•复合材料层合板计算机辅助设计步骤:•1.对于每一单层，在参照系中，利用输入性质计算单层的模量矩阵Q，然后将各层的矩阵与热膨胀系数转换到层合板参照系下，即考虑单层的实际铺向；•2.计算层合板的拉伸、弯曲和耦合刚度矩阵A、D、B;将其组合成总刚度矩阵，并求出它的逆矩阵；•3.计算层合板的表现工程性质•4.进行应变-应力分析，需要输入外加载荷矢量及温度的整体变化；第一节、纺织结构复合材料的计算机辅助设计系统•5.计算层合板中面的应变和曲率；•6.结合层合板中面应变和曲率，计算各层中面的应变；•7.对各层计算偏轴机械和热残余应力，这是通过偏轴模量矩阵和相关的应变矢量乘积求得的；•8.通过偏轴应力矢量与方向转换矩阵的乘积，将各层的偏轴应力转换成正轴应力；•9.按照最大应力理论；Tsai-Hill理论；Tsai-Wu理论确定强度准则。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•概述：–复合材料作为一种新型的、具有独特性能的材料，在实际应用中往往以各种不同的结构形式的产品而存在。–因此，复合材料产品设计是复合材料研究开发和应用的重要一环。–复合材料产品设计包括：外形设计、材料设计、结构设计和工艺设计等。–CAD的设计过程包括：构思、综合、分析、模拟、评价、判断和决策直至最后的生产信息。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计纺织结构复合材料产品的CAD工作流程图第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•复合材料产品的造型设计–CAD的几何造型软件具有生成框图形、表面图形或实体图形的能力，具有删除、修改、拼接、组合等图形编辑功能。–同时，具有体和体之间，面和面之间的干涉检验，能保证拼接、组合的图形逻辑上合理、物理上不矛盾。–比传统绘图方法的轴测图、透视图、剖视图等方便、省时、省力。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计–CAD绘制的图形很容易在屏幕上旋转、平移、收缩、放大，使人们从各个方向，各个角度观察立体的产品，并可局部选种放大。–可进行半透明处理，观察产品内部结构–可以进行变换色彩，模拟光源效果等，达到是图形具有真实感。–因此，CAD能够帮助设计者快速、精确地完成具有很强立体感和真实感的产品几何造型。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•几何建模过程简介第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•目前CAD系统大多采用几何建模方法•几何建模方法即物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上的。•几何信息是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小；•拓扑信息是指物体各分量的数目及其相互间的连接关系。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•几何建模系统的分类：–物体的几何模型可分为二维或三维线框模型、三维曲面模型和三维实体模型。•二维建模系统：主要研究平面轮廓处理问题。所占存储空间小、操作方便。–边式系统：描述轮廓边，通过不同类型的轮廓边的相互顺序实现绘图目的。–面式系统：将封闭轮廓边包围的范围定义成一个平面，并作为一个整体来处理。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•平面拼合过程•二维几何建模系统的算法比较简单，但由于视图及剖面图在计算机内部是相互独立产生的，不能构成一个整体模型。当一个视图改变时，其他视图不能自动改变。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•三维几何建模系统，•1.线框建模（Wireframemodeling）–线框建模是最简单的三维建模方法，物体通过直线、圆弧、圆、样条曲线来进行描述。这种描述方式信息最少，占内存空间小，响应速度块。–但由于该模型边与边之间没有关系，即没有构成面的信息，不存在内、外表面的区别，不能进行可见性检验。不适用于对物体需要极性完整信息描述的场合。–适用于评价物体外部形状、位置或者绘制图纸等情况。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•三维几何建模系统，•2.表面建模（Surfacemodeling）–通过对物体各种表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。主要使用与其表面不能用简单的数字模型进行描述的物体，如复合材料中的一些壳体结构。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•表面建模（Surfacemodeling）–表面模型内不存在各个表面之间相互关系的信息，因此对非壳体结构的产品，例如一些模压、注射、手糊成型的复合材料产品，当三个方向的尺寸属于同一数量级时，须采用三维实体建模。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•实体建模（Solidmodeling）–在计算机内部，以实体描述现实世界中的物体，利用这样的系统可完整地、清楚地对物体进行描述。所谓完整：即具有完整的信息；所谓清楚，即可以实现可见边的判断和消隐。–实体建模常采用的方法：–体素法，平面轮廓扫描法，综合定义法第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•体素法：–采用最基本的体素，如：长方体、圆柱体、圆锥体、圆环、锥台等。这些体素通过少量参数进行精确描述第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•平面轮廓扫描法：–将一个二维轮廓在空间平移或旋转而扫描出一个实体。•整体扫描法：即使一个物体在空间运动以产生新的物体形状。平面轮廓扫描整体扫描第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•纺织结构复合材料产品造型设计示例–多数复合材料产品为层合壳的结构，因此，较多的采用表面建模系统，少数为实体建模复合材料化工存储罐第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•上两图采用表面建模技术对回转体容器进行设计，先画母线，然后绕容器轴线旋转而成，接管是由CAD建模系统的拼装功能实现。复合材料水箱第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•管道模型采用轮廓线平移而得到，弯管模型同时采用了旋转和平移两种方法•窨井盖采用了三维实体建模方法复合材料通风管、地下管及压力管道复合材料窨井盖第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•复合材料产品的结构性能设计–上一部分着重产品的外观角度设计–本部分着重从产品在使用条件下的强度、刚度、稳定性的分析计算，确定产品的整体结构、各部分几何形状、材料品质、尺寸要求等。–这部分工作需要有限元计算软件来完成第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•什么是有限元软件？–有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•有限元法（FEA，FiniteElementAnalysis）–用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。–这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计–CAD系统中的几何造型软件带有标准接口，可以是产品图形信息转换成计算机分析软件所需的图形和数据信息，不需要在有限元软件中另外作图。–有限元软件可以准确的完成单元划分，节点编号，修改边界约束信息和载荷信息等，以绘制各宗应力、变形的等值线等工作，从而能够快速有效的对控制方程进行数值求解。第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•有限元分析分为三个部分：–前处理：包括离散化数学模型的建立、材料参数的输入、边界条件的模拟、载荷的模拟、分析类型的确定。–数值计算–后处理：根据不同的强度理论，计算出相应结果，并采用直观的色彩显示出模型各个部位的应力水平，可以自动的画出等应力线第二节、纺织结构复合材料产品的计算机辅助设计•纺织结构复合产品计算机辅助设计实例–大型冷却塔复合材料导凤筒计