基于托架模型的Fibersim铺层设计方法研究

陈英函 周磊 王清民 朱楠 陈宇宁 王梓桥

摘 要 Fibersim是一款复合材料铺层设计及工业仿真专业软件，可以通过创建层压板等信息对复材零件进行定义并可以通过软件自带的导入导出接口实现铺层设计与有限元仿真之间的交互。本文利用Fibersim进行托架模型铺层设计，将设计完整的实际铺层等信息导入到仿真软件中进行有限元仿真并与基于理想铺层设计出的托架模型做对比，分析发现在模型受压时所得出的Mises应力结果图保持一致，验证了Fibersim联合仿真进行铺层设计的可靠性。对比分析了改变铺层顺序对受压托架模型的影响，结果表明，改变铺层顺序对应力结果无影响。

关键词 Fibersim; 复合材料；铺层设计；有限元仿真

Study of Fibersim Lay-up Design Method Based

on the Bracket Model

CHEN Yinghan， ZHOU Lei， WANG Qingmin， ZHU Nan， CHEN Yuning， WANG Ziqiao

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Fibersim is a professional software of composite material lay-up design and industrial simulation. It can define the composite parts by creating the laminate plate and other information， and can be through the import and export interface realize the interaction between the lay-up design and the finite element simulation。This paper uses Fibersim to design the bracket model lay-up， import complete design of actual lay-up information into the simulation software for finite element simulation and compared with the bracket model based on the ideal lay-up design， the analysis results show that the Mises stress are consistent when the model is pressed， and verifies the reliability of Fibersim joint simulation for lay-up design. The effect of changing the lay-up order on the pressure bracket model is analyzed， and the lay-up order has no effect on the stress result.

KEYWORDS Fibersim; composite material; lay-up design; finite element simulation

1 引言

碳纖维复合材料由于具有比强度高，比模量高，可设计性强等优点被广泛应用于航空航天等领域［1-2］，同时在汽车零部件等民用产品中也有大量的应用［3］。在复合材料产品成型的过程中，复合材料铺层角度等方面的设计对产品性能有直接影响，所以很多研究人员对复合材料铺层结构展开了研究。KIM［4］等人通过采用不同的缠绕方式，铺层顺序以及铺层数设计了六组复合材料传动轴并进行了扭转的有限元仿真，仿真结果显示当缠绕角度为45°时复合材料承受的扭矩最大。Badie［5］等人对不同铺层角度的碳纤维管进行有限元分析，得出碳纤维铺层±45°主要是承受扭转力，并且发现在碳纤维管铺层设计中适当增加0°和90°铺层可以提高抗扭刚度。赵雄翔［6］等人基于应变能对风力叶片进行了铺层结构的优化设计，在降低质量的同时提高了静态刚强度。孟鑫沛［7］等人对无人机起落架的弓形梁尺寸和材料铺层进行了优化，降低了起落架弓形梁的质量，显著提高了缓冲吸能特性。由此可以看出在复合材料产品的成型过程中，铺层设计及优化显得极为重要。

Fibersim是一款集复合材料设计、分析、制造于一体的数字化软件［8］，其可以对复合材料与设计中高度复杂性问题进行处理，国内秦晓宇［9］等人利用Fibersim软件针对碳纤维复合材料油底壳进行设计，最终依据合格率和完整率确定设计中最佳的剪口方案。王招［10］等人基于Fibersim的铺覆方法探索实际铺覆与理论设计的偏差，分析其原因并通过实际运用推论“To Curve”模拟实际铺覆的合理性。得出利用“To Curve”铺覆方法论最贴近实际的结论。

基于Fibersim在复合材料铺层设计具有专业性和独特性并且可以通过自带接口实现与仿真交互的特点，本文利用Fibersim设计得到实际铺层下的托架模型与理想铺层设计出的托架模型做承力对比，并分析对比了改变铺层顺序对受压托架模型的影响。

2 Fibersim铺层设计流程

Fibersim作为一款能够高效处理复杂复合材料零件铺层设计的工具，可以完全集成于三维CAD软件。Fibersim基于三维制图软件进行铺层设计的步骤如图1所示，具体流程为：

（1）利用三维制图软件进行三维模型的创建；

（2）提取模型的贴膜面和基于贴膜面上的边界；

（3）基于模型的厚度与铺层角度进行复合材料的铺层设计；

（4）将设计数据导入到仿真软件中；

（5）对模型进行网格划分和加载，设置求解；

（6）输出结果并查看其应力图，若不符合要求，则重新设计铺层并重复（3）-（6）步骤。

3 基于托架模型的联合仿真

3.1 铺层设计

基于Fibersim可以与仿真软件进行交互的特性，本节利用受压托架模型来验证Fibersim进行铺层设计的可靠性。进行算例分析所采用的托架模型如图2所示，并根据文献［11-12］中所示，给出仿真所选碳纤维复合材料的材料属性，如表1所示。

由图2可知，利用三维制图软件创建托架模型。提取托架模型表面作为铺层设计的贴膜面并在贴膜面上提取边界条件，设置铺层原点及规定铺层0°方向，含铺层设计厚度增长方向的贴膜面信息如图3所示。

做好铺层设计的前期准备，按照（0/+45/-45/90）3的铺层顺序进行托架模型的设计，铺层厚度的增长方向为图3中箭头所指方向，利用Fibersim中的3D视图功能，可以看到每一层的铺层序号以及铺层厚度的增长，更可以直观的看到模型厚度的增长是否随着铺层数的增加保持均匀，如图4所示。

3.2 仿真验证

将贴膜面以及铺层数据导入到仿真软件中并对模型进行网格划分，网格划分的单元大小设置为3mm。对整个模型进行加载，加载方式是将模型的下边界固定，托架表面受到数值大小为0.1Mpa压力，模型受力示意如图5所示。将设置完成边界条件以及加载的托架模型进行受力情况的仿真求解，通过求解计算得到应力结果，根据图6中显示能观察到应力最大值与最小值所在的区域。

接着基于理想铺层对托架模型进行建模，加载方式同上，求解得出应力结果如图7所示，将仿真求解所得到的应力结果与基于实际铺层求解的应力结果进行比较，对比发现对于受压托架模型两种方式的应力结果基本吻合，证实了Fibersim联合仿真进行铺层设计的可靠性。

验证了Fibersim联合仿真进行铺层设计的可靠性，采用同上的加载方式，基于两种常见的铺层方式针对受压托架模型进行应力求解，分析改变铺层顺序对受压托架模型的受力情况的影响。铺层顺序选取（0/+45/90/-45）3和（0/90/+45/-45）3，求解得到了应力结果分别如图8和图9所示，根据对比发现改变铺层顺序对受压托架模型的受力情况不产生影响。

4 结语

（1）将基于实际铺层设计与基于理想铺层设计出的托架模型在相同载荷下进行比较，应力结果分析中发现在模型受压时所得出的Mises应力结果图保持一致，验证了Fibersim联合仿真进行铺层设计的可靠性。

（2）相同大小的压力下，采用（0/+45/-45/90）3、（0/+45/90/-45）3、（0/90/+45/-45）3三种不同的铺层顺序，对比分析了改变铺层顺序对受压托架模型的承力影响，结果表明，改变铺层顺序对承力不产生影响。

参 考 文 献

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