對稱鋪層
關注創建者：myjishulin 創建時間：2019-11-24
對稱鋪層的視頻教程
LS-DYNA復合材料數值方法之復合材料理論
多向層合板 a.對稱鋪層僅有面內載荷（矩陣A） b.對稱鋪層既有面內載荷也有面外彎矩和扭矩（矩陣A和矩陣D） c.非對稱鋪層（矩陣A，D，B） 可能的作用 1. 數值分析中參數的輸入是否正確？校核 2. 復合材料層合板的整體性能要有大致的評價 3. 數值手段只是思想的延伸，內核還是基本理論
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對稱鋪層的實例教程
另外，避免最外層鋪層間斷或不完整。
4. 若使用非對稱鋪層，每層因同方向上熱膨脹系數不同會出現翹曲，因此，一般要采用對稱鋪層。
5. 當增加補強鋪層時，每層階梯最少要3.8-6.4mm，附加鋪層也應盡量采用對稱鋪層。
連接
碳纖維復合材料部件開發過程中，不太可能都采用整體成型技術，需要進行部件與部件之間的連接的，則需要對連接形式進行設計。
一般來講，碳纖維復合材料部件的連接有三種形式：機械連接、膠結連接、混合連接。機械連接適用于連接件厚度大、可靠性要求較高、傳遞較大集中載荷的情況。膠結主要是利用粘結劑將零件連接成不可拆分的整體。
混合連接是膠結和機械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。
疲勞與沖擊損傷
復合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數情況下，沖擊損傷在結構設計中覆蓋了疲勞問題。
疲勞
一般情況下，復合材料的拉伸疲勞優于金屬。在正交層合板時疲勞或交變載荷作用下的開裂相對穩定，比金屬開裂擴展的慢。對復合材料必須注意受沖擊后的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下，引起的疲勞破壞。疲勞引起的早期破壞要因如下：
1. 缺口，尖角
2. 截面突變
3. 突起
4. 極端的偏心載荷
5. 螺栓連接接頭
6. 快速擺動
沖擊損傷
對于碳纖維復合材料結構，一般應將CAI強度（沖擊后壓縮強度）作為設計參數之一。飛機上確定損傷容限就是這么考慮的。損傷容限就是部件中允許的損傷范圍，如果超出這個限度，損傷將會顯著影響部件的性能。碳纖維復合材料的沖擊損傷容限必須在可檢測到的范圍內，作為設計參數之一加以考慮。
即使存在肉眼不可見的損傷，也要確保結構不發生CAI強度的下降。
展開 鋪層結構
鋪層結構是碳纖維復合材料結構設計的關鍵，如何把單層結構的優異性能傳遞到復合材料結構部件上，鋪層結構起到承上啟下的作用。關于復合材料鋪層應注意以下幾點：
1. 樹脂是碳纖維復合材料力學性能的短板，所以盡量避免將載荷直接加到層間或者樹脂之間。也就是說，0°、±45°、90°的纖維都要有，否則載荷會將部件從沒有纖維排布的方向撕裂。
2. 為了防止層合板邊緣開裂，盡量避免重復單一方向的鋪層，設計時最多不超過5層。
3. 為了防止最外層鋪層的剝離，在部件的主載荷方向，應鋪放±45°纖維，而不能鋪放0°和90°纖維。另外，避免最外層鋪層間斷或不完整。
4. 若使用非對稱鋪層，每層因同方向上熱膨脹系數不同會出現翹曲，因此，一般要采用對稱鋪層。
5. 當增加補強鋪層時，每層階梯最少要3.8-6.4mm，附加鋪層也應盡量采用對稱鋪層。
連接
碳纖維復合材料部件開發過程中，不太可能都采用整體成型技術，需要進行部件與部件之間的連接的，則需要對連接形式進行設計。
一般來講，碳纖維復合材料部件的連接有三種形式：機械連接、膠結連接、混合連接。機械連接適用于連接件厚度大、可靠性要求較高、傳遞較大集中載荷的情況。膠結主要是利用粘結劑將零件連接成不可拆分的整體。
混合連接是膠結和機械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。
疲勞與沖擊損傷
復合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數情況下，沖擊損傷在結構設計中覆蓋了疲勞問題。
疲勞
一般情況下，復合材料的拉伸疲勞優于金屬。在正交層合板時疲勞或交變載荷作用下的開裂相對穩定，比金屬開裂擴展的慢。對復合材料必須注意受沖擊后的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下，引起的疲勞破壞。
展開 今天再簡單講一下“為什么復合材料層壓板設計中又經常要求對稱性？”
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為什么復合材料層壓板設計中經常要求均衡性？
航空航天領域常用的π/4層壓板（由0°、90°、45°、-45°四種鋪層角度組成的層壓板）設計中，經常會提到對稱性設計約束條件。對稱性就是鋪層序列中同材料、同角度的鋪層對稱分布在中性面兩側。
例如：
[0/90]s：下標s表示對稱，實際鋪層順序為[0/90/90/0]。
圖1 對稱鋪層示意
為什么要保持對稱性的約束條件，同樣需要從最基本的復合材料力學原理去解釋。上一節曾經描述過，對于單向層合板，在材料坐標系下的應力應變關系如下，其中Q為彈性矩陣：
或
對于一個包含多個鋪層角度的
層壓板
，其第k個鋪層，在層合板坐標系下單層的應力應變關系為：
其中，
Q'為偏軸彈性矩陣，由
Q通過矩陣變換得到。
其展開形式可以表示為：
其中，
θ為鋪層角度。這里需要注意的是，偏軸彈性矩陣系數Q
11'、Q
22'、Q
66'、Q
12'四項均為
偶函數，+θ和-θ兩個鋪層對應的偏軸彈性系數相同，比如Q
11'(+θ)=Q
11'(-θ)。
展開 準各項同性對稱鋪層模擬結果圖
通過有限元模擬分析，三種鋪層方式中，準各項同性對稱鋪層方式較0°單向鋪層，[0/90/90/0/0/90/90/0]s對稱鋪層相比，電池盒結構的整體的變形撓度，最大應力和最大應變值均較小，是最佳選擇。
懸掛側耳與L型翻邊設計
滿足結構優化設計目標：
應變：最大壓應變4000με，拉應變6000με，剪應變4500με；
應力：最大Mises應力500MPa以下；
變形撓度：最大變形撓度10mm以下。
3.動態安全性模擬校核
1）確定了動態校核的方法；
2）確定了動態校核的內容，分別對電池盒進行振動模態分析，正碰分析，側碰分析，跌落分析，分析模擬校核結果，確定結構的安全性。
電池盒六階振動模態圖
正碰的動態過程模擬云圖
側碰結果模擬云圖
跌落結果有限元模擬云圖
4.拉擠與模壓工藝
電池盒樣件的制備試驗研究
1）利用拉擠成型工藝加工制造了加強筋；
2）利用模壓工藝制造了電池盒的蒙皮，加強筋和蒙皮采用膠結共固化的方式成型出電池盒整體。
樣品照片
二、環氧乙烯基酯預浸料應用前景
復合材料板簧
本特勒-西格里(Benteler-SGL)復合材料板簧重量可減輕65%
德國IFC公司生產的復合材料板簧
奔馳橫置板簧
（1）容易制作成變厚度截面的板簧，減重效果明顯：50%～70%。
展開 準各項同性對稱鋪層模擬結果圖
通過有限元模擬分析，三種鋪層方式中，準各項同性對稱鋪層方式較0°單向鋪層，[0/90/90/0/0/90/90/0]s對稱鋪層相比，電池盒結構的整體的變形撓度，最大應力和最大應變值均較小，是最佳選擇。
懸掛側耳與L型翻邊設計
滿足結構優化設計目標：
應變：最大壓應變4000με，拉應變6000με，剪應變4500με；
應力：最大Mises應力500MPa以下；
變形撓度：最大變形撓度10mm以下。
3.動態安全性模擬校核
1）確定了動態校核的方法；
2）確定了動態校核的內容，分別對電池盒進行振動模態分析，正碰分析，側碰分析，跌落分析，分析模擬校核結果，確定結構的安全性。
電池盒六階振動模態圖
正碰的動態過程模擬云圖
側碰結果模擬云圖
跌落結果有限元模擬云圖
4.拉擠與模壓工藝
電池盒樣件的制備試驗研究
1）利用拉擠成型工藝加工制造了加強筋；
2）利用模壓工藝制造了電池盒的蒙皮，加強筋和蒙皮采用膠結共固化的方式成型出電池盒整體。
樣品照片
二、環氧乙烯基酯預浸料應用前景
復合材料板簧
本特勒-西格里(Benteler-SGL)復合材料板簧重量可減輕65%
德國IFC公司生產的復合材料板簧
奔馳橫置板簧
（1）容易制作成變厚度截面的板簧，減重效果明顯：50%～70%。
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</p><p class="ql-align-justify"> 鋪層邏輯：支持非對稱鋪層序列輸入，用戶通過逗號分隔輸入各層角度。若輸入角度數目少于設定的總層數，系統將自動以 0° 鋪層補齊所缺層信息，避免因輸入遺漏導致模型鋪層角度不完整。
接著，為2.5毫米的face25進行鋪層，中間層有12層厚度為1.75毫米的UD材料，采用對稱鋪層設置。
創建完畢后，可查看總厚度，確保所有部件的厚度均正確。
在前處理模塊中完成計算后，保存并更新，然后進入后處理模塊。
靜態結構分析設置
半徑 R=152mm，高度 300mm，厚度 t=0.804mm，對稱鋪層[±45,0]s，
單層厚度為 0.134mm。
對稱性就是鋪層序列中同材料、同角度的鋪層對稱分布在中性面兩側。
例如：
[0/90]s：下標s表示對稱，實際鋪層順序為[0/90/90/0]。
圖1 對稱鋪層示意
為什么要保持對稱性的約束條件，同樣需要從最基本的復合材料力學原理去解釋。
CFRP的鋪層角度與鋪層順序沿用[0,45,-45, 0,90] s的對稱鋪層設計。
對三處接頭位置進行CFRP覆蓋接頭設計優化后，車身骨架的扭轉剛度提升為3234Nm/deg，提升比例約6.5%，此時車身骨架整體增重僅0.3%，如表5所示。
在NL框中輸入4，表示一共有4層，在LSYM框中輸入1，表示對稱鋪層。
按圖19設置完后點擊OK，出現Real Constant Set Number1, for SOLID46對話框，見圖19右圖所示，按圖中所示進行設置，點擊OK關閉對話框。最后單擊Real Constants對話框上的Close按鈕完成實常數設置。
定義實常數GUI路徑為：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Real Constant】
SHELL99單元是復合材料分析常采用的單元類型之一，圖10展示了SHELL99單元實常數定義對話框，對話框中NL用于指定該復合材料有多少層，最多可以包含250層，LSYM用于設定復合材料的鋪層是否對稱，若對稱鋪層，在輸入框中輸入數字“1”，ADMSUA用于指定單位面積質量，也就是慣性力
其中，面板采用0度和45度對稱鋪層，共計6層。
圖 1 縫合復合材料結構
3.
圖1 防撞梁碰撞模型
簡化模型總共8個鋪層，每層厚度均為0.3mm,鋪層角度按0°、45°、90°-45°依次排列，對稱鋪層。各鋪層具體信息如圖2所示。
圖2 鋪層信息
本模型為汽車保險杠的一部分，本次優化要求防撞梁的吸能量達到最大，不改變材料和鋪層厚度，只改變鋪層的角度且角度只能為0°、45°、90°和-45°這四種角度。
