复合材料构件纤维铺覆仿真及力学性能的表征开题报告

全文总字数：4280字

1. 研究目的与意义（文献综述）

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，带动了上下游产业链的同步发展，但大量的尾气排放、环境污染、能源消耗等问题限制了汽车行业的发展。为了实现更少的能源消耗和更少的环境污染，汽车轻量化势在必行。而复合材料具备高比强度、高比模量、耐疲劳性好、各向异性和可设计性等特点，因此是一种很好的能替代钢结构达到汽车轻量化目的的一种材料。由于复合材料是一种各向异性材料，加工成型方式与各项力学性能也均不同于以往的各向同性的金属材料，因此为了克服复合材料制品研发中所存在的工作量大，研发成本高、产品开发周期长等缺点，复合材料领域的研究人员开发了多种复合材料设计、分析软件运用于复合材料的设计和制造中，来简化复合材料的分析、设计和制造过程。

fibersim软件是目前汽车复合材料零部件设计中常用的一款复合材料设计制作软件。fibersim软件常和catia三维建模软件配合使用，适用于一些拥有复杂外形和曲面的复合材料零部件的铺覆设计。通过使用fibersim软件进行虚拟铺覆预测设计，可以在设计阶段发现因为纤维铺覆不良导致的纤维屈曲变形过大等问题，从而在设计阶段通过改变铺覆原点、创建拼接、创建线型或v型剪口等方法来改善纤维的铺覆情况。此外，由于fibersim具有众多的数据接口和铺层设计方法，因此在纤维的多铺层设计方面可以进行自动设置和快捷操作，从而避免了传统铺层设计方法中的对每一铺层进行手动设置导致工作量巨大的缺陷。基于上述铺覆和铺层设计的结果，可以通过对各纤维层进行铺覆可行性分析从而得到各铺层的二维设计图，并通过外接自动裁布机进行裁剪所需要的铺层，然后在铺覆加工阶段外接激光定位系统来实现设计铺层的精准定位和铺覆，最后采用合适的成型工艺进行成型即可制备得到预想的复合材料制件。通过使用fibersim软件进行复合材料复杂产品的设计开发，可以很好地控制铺层厚度、角度、铺贴位置定位等参数，从而避免了复合材料产品的缺陷产生，加快了生产进程，降低了生产成本。

目前，国内传统的复合材料构件成型多依靠经验设计，采用手工下料、手工定位、手工铺覆等方式。加工方式成本高、质量控制点多、精度低、配合协调性差、要求施工工人经验丰富，一旦出现成型缺陷便只能重新加工，严重浪费成本且大大增加了生产周期。因此，通过利用fibersim软件进行铺覆设计和铺层设计并将铺层设计的理论模型导入到ansys acp等有限元分析软件中进行分析可以对复合材料模型的各项力学性能进行预测，从而实现设计制造分析的高度集成，大大节约复合材料的研究制造成本并加快整个设计周期。本次毕业设计论文将利用以上软件对汽车某零部件进行铺覆设计和铺层设计，并设计出一个可行的产品设计方案。

2. 研究的基本内容与方案

本次毕业设计主要分为两部分，一部分是探究铺覆原点、创建拼接、创建线型或V型剪口等对复合材料汽车零部件的铺覆性能的影响，并确定最佳方案，另外一部分是通过铺层设计以及相应的有限元力学仿真分析，探究最佳铺层方案以及拼接、线型剪口、V型剪口的存在对复合材料力学性能的影响。具体的技术方案如下：先确定合适的复合材料模型目标，根据相关模型参数利用Catia进行三维模型的建立。在建立的三维模型上利用Catia创成式曲面设计中的分割、提取、接合、点线面的创建等命令进行贴模面、贴模面边界、拓展贴模边界、坐标原点、纤维0°方向以及加厚区域边界等的创建，为Fibersim的分析提供基础。然后在Fibersim中通过改变铺覆坐标原点、创建拼接、创建线型或V型剪口来改变铺覆性能，分别对0°/45°/90°/-45°铺层进行分析，最终探究出可行性的铺覆优化方案。然后对优化好的0°/45°/90°/-45°铺覆方案进行铺层设计，并通过将数据导入到有限元分析软件中去进行仿真分析，通过仿真结果来确定最终的铺层设计方案。最后将理想状态下的最佳铺层设计方案和铺覆优化的最佳铺层设计方案分别在有限元分析软件中去进行仿真分析，并对比出创建拼接、创建线型或V型剪口等对复合材料力学性能的影响。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需软件的使用方法。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－5周：按照设计方案，完成复合材料构件纤维铺覆仿真模拟。

第6－10周：完成复合材料构件不同铺覆条件下力学性能的表征。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 郝晶莹, 甘爱峰, 夏细胜, et al. 基于fibersim软件的复合材料构件铺层设计优化[j]. 航天制造技术(2):72-74.

[2] 曹旋, 宁宁. 基于fibersim软件的复合材料对比试块缺陷设计[j]. 科技创新与应用, 2019(30):16-17.

[3] 朱成香, 李琼, 刘杰, et al. 基于fibersim软件的复材航空隔板结构设计研究[j]. 教练机(1):36-41.