一種複合材料的有限元分析方法
2023-06-13 00:04:56
一種複合材料的有限元分析方法
【專利摘要】本發明涉及一種複合材料的有限元分析方法，其包括以下步驟：步驟1：建立數學模型，利用三維軟體建立三維模型；步驟2：利用有限元軟體對所建立的模型定義材料屬性並進行網格劃分，轉換成有限元模型，所述定義材料屬性為依據材料的各向異性進行定義，即對每層的纏繞方向、纏繞厚度以及材料的失效準則來進行定義；步驟3：對有限元模型進行邊界條件加載，根據受力的實際情況對模型進行條件加載，模擬實際情況；步驟4：進行有限元分析，得出應力分布雲圖及位移狀況圖。本發明在分析時，定義材料屬性為依據材料的各向異性進行定義，按每一層的纏繞方向和纏繞厚度來進行分別計算，從而對複合材料每層的纏繞方向、殘餘預緊力能進行很好的模擬。
【專利說明】—種複合材料的有限元分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種複合材料的有限元分析方法。
【背景技術】
[0002]目前，對於複合材料機械性能進行計算時，往往利用傳統的數學公式進行計算，對於採用纏繞成型的複合材料，其纏繞時複合材料的纏繞方向不統一且有一定的預緊力，纏繞後為層狀結構，纏繞結束後需進行高溫固化，固化過程中，每層纖維的預緊力有不同程度的釋放，傳統數學公式的方法對每層纏繞方向不同，殘餘預緊力不同的複合材料很難進行準確分析計算。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於克服以上缺陷，提供一種分析準確的複合材料的有限元分析方法。
[0004]本發明的技術方案是:一種複合材料的有限元分析方法，其包括以下步驟:
[0005]步驟1:建立數學模型，根據分析結構的尺寸，利用三維軟體建立三維模型；
[0006]步驟2:利用有限元軟體對所建立的模型定義材料屬性並進行網格劃分，轉換成有限元模型，所述定義材料屬性為依據材料的各向異性進行定義，即對每層的纏繞方向、纏繞厚度以及材料的失效準則來進行定義，網格劃分可以根據結構的形狀採用不同的網格劃分方式，可以採用自適應網格劃分、自由網格劃分、掃掠網格劃分等；
[0007]步驟3:對有限元模型進行邊界條件加載，根據受力的實際情況對模型進行條件加載，模擬實際情況；
[0008]步驟4:對上述模型進行有限元分析，得出應力分布雲圖及位移狀況圖。
[0009]本發明的技術效果是，由於分析時，定義材料屬性為依據材料的各向異性進行定義，按每一層的纏繞方向和纏繞厚度來進行分別計算，從而對複合材料每層的纏繞方向、殘餘預緊力能進行很好的模擬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明實施例中電機轉子保護套結構示意圖；
[0011]圖2為本發明實施例數學模型；
[0012]圖3為本發明實施例有限元模型。
【具體實施方式】
[0013]以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0014]參照附圖1，為一種電機轉子結構，其包括保護套1、磁鋼2、轉子鐵心3、轉軸4。其中保護套I為複合材料，總厚度為2_，第一到四層為纖維A，纏繞方向為轉軸4成30度角，一到四層的厚度為0.1mm，每層的預緊力為500N，第五層到十二層為纖維B，纏繞方向為與轉軸4成45度角，厚度為0.2mm，每層的預緊力為600N。電機運行時，保護套I會受到磁鋼2的離心力作用。整個有限元分析對保護套I在電機的運行時的受力情況進行模擬分析，其包括以下步驟:
[0015]步驟1:建立數學模型，根據分析結構的要求，利用三維軟體建立三維模型並對三維模型進行簡化，去除對結果影響很小的結構，保留主要分析結構，建成數學模型，該數學模型包括轉軸4、轉子鐵心3、磁鋼2、保護套I。考慮到結構的對稱性，選取最小的對稱單元進行分析計算，建立圖2所示的最小的對稱單元模型；
[0016]步驟2:利用有限元軟體對所建立的模型定義材料屬性，保護套I的材料屬性定義是依據各向異性進行定義，即對保護套I每層的纏繞方向、纏繞厚度以及材料的失效準則來進行定義，對各向同性材料的磁鋼2、轉子鐵心3、轉軸4分別定義材料本身的彈性模量、泊松比、密度。然後對結構進行網格劃分，轉換成有限元模型，網格劃分可以根據結構的形狀採用不同的網格劃分方式，如自適應網格劃分、自由網格劃分、掃掠網格劃分等。結構尺寸小，易產生應力集中的部位，網格要保證一定的精度，以保證計算結果的準確性。建立圖3所示的有限元模型；
[0017]步驟3:對有限元模型進行邊界條件加載，模型採用的是最小對稱單元，因此對稱邊界要施加對稱邊界條件；轉子鐵心3和磁鋼2為正常接觸，設置成接觸對；轉軸4假設一端沒有軸向位移，約束轉軸4 一端端面的軸向位移；保護套I為複合材料，綁紮時有一定的預緊力F，且與磁鋼2緊密接觸，因此保護套I和磁鋼2設置成接觸對，並對保護套I第一層到第四層施加預緊力F=500N，第五層到十二層施加預緊力F=600N，通過命令ISTRESS施加。計算時模擬電機運行狀況，磁鋼2施加到保護套I上的離心力需要通過對整體模型施加轉速實現，轉速通過公式a =n /30 ( α為角速度η為轉速)把轉速轉換成角速度,對整體模型施加角速度。整個模型加載主要是完全模擬實際工況，把運行時轉軸4、轉子鐵心3、磁鋼2對保護套I的離心力通過軟體計算施加到保護套上；
[0018]步驟4:對上述模型進行有限元分析，得出應力分布雲圖及位移狀況圖。
【權利要求】
1.一種複合材料的有限元分析方法，其特徵在於，其包括以下步驟: 步驟1:建立數學模型，根據分析結構的尺寸，利用三維軟體建立三維模型； 步驟2:利用有限元軟體對所建立的模型定義材料屬性並進行網格劃分，轉換成有限元模型，所述定義材料屬性為依據材料的各向異性進行定義，即對每層的纏繞方向、纏繞厚度以及材料的失效準則來進行定義； 步驟3:對有限元模型進行邊界條件加載，根據受力的實際情況對模型進行條件加載，模擬實際情況； 步驟4:對上述模型進行有限元分析，得出應力分布雲圖及位移狀況圖。
2.根據權利要求1所述的一種複合材料的有限元分析方法，其特徵在於，所述網格劃分為用自適應網格劃分。
3.根據權利要求1所述的一種複合材料的有限元分析方法，其特徵在於，所述網格劃分為自由網格劃分。
4.根據權利要求1所述的一種複合材料的有限元分析方法，其特徵在於，所述網格劃分為掃掠網格劃分。
【文檔編號】G06F17/50GK103455679SQ201310403039
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2013年9月6日
【發明者】程秀傑, 張越雷, 陳雷, 曾湘黔, 萬翔 申請人:湘潭電機股份有限公司