一种复合材料层压板冲击后凹坑有限元建模方法

本发明涉及材料几何仿真设计，具体而言，涉及一种复合材料层压板冲击后凹坑有限元建模方法。

背景技术：

1、复合材料层压板因其有高比强度、高比刚度等优异性能，已广泛应用于航空航天、轨道交通以及高端装备制造等领域。在实际服役过程中，复合材料结构不可避免地会受到低速冲击载荷作用，从而产生分层、基体开裂以及表面形成局部凹陷等损伤形式。其中，冲击后形成的凹坑会对结构局部刚度及应力分布产生影响，进而影响复合材料层压板冲击后的剩余承载能力和失效行为。因此，在进行复合材料层压板冲击后性能分析时，合理考虑冲击后凹坑几何特征具有一定的工程意义。

2、目前，针对复合材料层压板冲击后压缩分析的研究过程大致如下：

3、1.依据astm d7136《纤维增强聚合物基复合材料落锤冲击损伤阻抗的标准试验方法》中规定的试验方法及试验样件尺寸，建立复合材料层合板有限元模型并进行冲击过程仿真分析；

4、2.将冲击仿真分析结果中模型的损伤导出；

5、3.建立新的压缩试验样件模型，并将上述损伤数据导入模型；

6、4.依照astm d7137《纤维增强聚合物基复合材料冲击后压缩性能（cai）的标准试验方法》中规定的试验方法对导入损伤的有限元模型进行冲击后压缩试验仿真分析。

7、现有研究分析中，冲击后压缩试验的仿真分析依旧采用初始完整的层压板几何模型，未对实际存在的冲击凹坑进行精细化建模，这种忽略实际几何特征的处理方式可能导致应力集中区域的力学响应出现偏差，从而影响对结构残余强度评估的准确性。因此，需要设计一种能够真实反映冲击后凹坑几何形态的有限元建模方法，以提高仿真结果的准确性。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种复合材料层压板冲击后凹坑有限元建模方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种复合材料层压板冲击后凹坑有限元建模方法，包括：

3、构建复合材料层压板的单层板平面模型，对所述单层板平面模型进行离散化处理，得到孤立网格；

4、对孤立网格进行若干次的复制，并对复制后的孤立网格进行位置调整，得到依次排列的若干层孤立网格，其中，相邻的孤立网格形成复合材料铺层或内聚力层；

5、获取凹坑几何特征参数和冲击中心点位置，根据凹坑几何特征参数和冲击中心点位置，对所述每层孤立网格中的节点进行检索，其中检索节点是否位于凹坑区域，得到目标节点，根据所述目标节点的空间位置和凹坑几何特征参数，拟合得到偏置值；

6、通过偏置值对对应的目标节点的空间位置进行调整，得到具有凹坑几何形貌的复合材料层压板三维有限元模型。

7、可选的，所述孤立网格的获取过程包括：

8、对所述单层板平面模型进行有限元网格离散化处理，并将处理后的网格脱离单层板平面模型，得到孤立网格；其中，所述单层板平面模型为复合材料层压板的初始二维几何模型。

9、可选的，所述若干层孤立网格的获取过程包括：

10、对所述孤立网格进行复制，并对复制后的孤立网格进行正向偏置，得到第二孤立网格；原始的孤立网格和第二孤立网格形成复合材料铺层；

11、对第二孤立网格进行复制，并对复制后的第二孤立网格进行正向偏置，得到第三孤立网格，第二孤立网格和第三孤立网格形成内聚力层；

12、重复上述复制和正向偏置的过程，直到满足复合材料层压板的总层数，得到包含若干复合材料铺层和内聚力层的若干层孤立网格；其中，所述正向偏置沿同一方向，所述正向偏置的数值根据复合材料层压板的对应铺层的厚度设置。

13、可选的，目标节点的获取过程包括：

14、获取每层孤立网格的法向坐标；根据凹坑几何特征参数和每层的法向坐标，得到每层的搜索半径，根据冲击中心点位置和搜索半径，对每层孤立网格中的节点进行检索，检索节点是否位于凹坑区域，得到目标节点；其中所述凹坑几何特征参数包括凹坑深度和凹坑半径。

15、可选的，所述搜索半径的获取过程包括：

16、基于凹坑几何特征参数和每层的法向坐标，采用函数关系式计算每层孤立网格中节点的搜索半径。

17、可选的，偏置值的获取过程包括：

18、根据所述目标节点的空间位置和凹坑几何特征参数中凹坑深度的关系，并结合实际凹坑的曲面函数，计算每个目标节点的法向的偏置值。

19、可选的，通过偏置值对对应的目标节点的空间位置进行调整的过程包括：

20、在所述目标节点的空间位置中，将空间位置中的法向位置根据对应偏置值进行调整以调整目标节点的法向坐标，将所有目标节点修改后，得到复合材料层压板三维有限元模型。

21、另一方面，本发明提供了一种复合材料层压板冲击后凹坑有限元建模系统，用于执行上述的方法。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，

23、1.实现了对冲击后几何凹坑的精细化建模，弥补了传统分析方法的不足，提高了仿真结果的准确性；

24、2.通过逐层节点搜索与坐标偏置机制，能够在多层复合材料结构中准确重构不同深度下的凹坑轮廓，适用于复杂铺层构型；

25、3. 提高了冲击后压缩仿真分析中结构力学响应的真实性，有助于更可靠地评估结构剩余承载能力。

1.一种复合材料层压板冲击后凹坑有限元建模方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

8.一种复合材料层压板冲击后凹坑有限元建模系统，其特征在于，用于执行上述权利要求1-7任一项所述的方法。