CATIA和ABAQUS：风机叶片复材设计和分析

来源: | 作者:thinks | 发布时间: 2024-11-25 | 572 次浏览 | 分享到:

一引言：

复合材料的风机叶片在研发过程中，不仅需要基于几何曲面的铺层设计，更需要进行气动载荷下的有限元计算和校核。基于曲面的铺层设计不仅能详尽展示空间结构关系，而且能够对铺层的工艺性进行分析；即对生产工装定位夹具提供定位尺寸，又能制作详尽的铺层图纸。有限元计算是叶片性能分析中重要的一环。有限元计算能够分析叶片的模态、频率、变形和各个铺层的强度等，也是叶片认证中重要的一环。

二软件平台：

CATIA 软件是世界顶级的 CAD/CAE/CAM 系统，是达索公司的产品开发的旗舰解决方案。模块齐全，功能强大，广泛应用于各个工业领域。其模块功能从零件设计到曲面造型，从复合材料设计到人机工程，从知识工程到工程分析。SIMULIA/ABAQUS 是功能强大的工程模拟有限元分析软件，是一个协同、开放、集成的多物理场仿真平台。其求解器包是功能齐全的高级求解器，能够求解广泛的线性和非线性问题。

三叶片复材设计和分析流程：

借助与 CATIA 各个子模块的功能，工程设计人员有效无缝的推进各个环节的设计。在创成式外形设计模块里，能够生成依据气动数据的叶片高级曲面；在 CPD模块里，设计人员能够快速有效的完成结构铺层；在高级网格划分模块里，对叶片曲面快速的进行区域划分，再进行细致的网格划分；使用 COMPOSITE LINK，能够进行模型转换，获得 ABAQUS 有限元模型；在ABAQUS 中，使用 COMPOSITES MODELER FOR ABAQUS/CAE,得到详细的铺层结构设计，并进行相关的结构计算，根据计算结果调整铺层，并返回到 CATIA 中。

基于曲面铺层的设计和基于有限元的分析之间无缝高效的双向链接有利的推进开发进度。最终，在 CPD 中进行铺层的工艺性分析，调整铺层顺序和裁剪铺层区域，形成铺层文件，指导制造生产。

四案例展示：

在下列图片（1-7）中展示了从曲面铺层到有限元模型的实例：

CATIA 中叶片曲面 1

CATIA 中区域边界 2

CATIA 中铺层 3

CATIA 中的 mesh 4

CMA 中铺层 5

ABAQUS/CAE 中的铺层 6

ABAQUS 中铺层显示 7

五核心模块的功能

1 CATIA/CPD(复材设计模块)：

CATIA 的复材设计方法主要有两种，一种是基于 ZONE-SOLID-PLY 的方法，先是基于区域生成实体，后生成铺层；另一种是 GIRD 方法，基于栅格的方法，代表先进的铺层方法。复材铺层设计以 ply（铺层）为操作单元，快速方便的对 ply 进行定义边界、铺层方向和生长方向，对铺层能够灵活进行复制、裁剪、镜像、合并、排序等。CATIA 中铺层的工艺性分析也是重要的一方面，是生产制造不可或缺的一个环节。根据不同的铺层曲面，其理论铺层角度和实际铺层角度会有差异，Advanced Fiber Modeler 是先进的纤维模拟模块，能够分析铺层褶皱和铺层角度偏差，对铺层工艺提供支持。

2 CL 和 CMA

COMPOSITE LINK 和 COMPOSITES MODELER FOR ABAQUS/CAE 是铺层设计文件和有限元文件转化的必要软件。C L 是基于 CATIA 环境下运行的，支持输出各种主流有限元软件铺层文件。输出有限元模型的方法有两种，一种是使用 CATIA 自身划分的网格，或者使用第三方的网格模型，导出既有铺层文件，又有网格的有限元模型；第二种是输出铺层文件，通过CMA 将铺层文件映射到网格上，生成有限元模型。CMA 是基于 ABAQUS 下运行的，其中 CMA是 ABAQUS 复材建模功能的扩充，能够进行铺层的工艺性分析。

3 CATIA 先进网格划分模块

CATIA 中的网格划分功能直接使用创成式外形设计里定义的曲面和边界条件，进行网格划分，并且关联性强。当改变创成式外形设计的铺层曲线定义时，所作的网格划分只需更新一下即可，无需重新划分。结合 ABAQUS for CATIA,在 CATIA 中可直接调用 ABAQUS 的求解器，可以进行线性求解。

4 ABAQUS 复材分析技术

ABAQUS 中对复合材料的模拟是多层次，多角度的。常用的是混合模拟，即基体和纤维看作是层合板。复材单元类型既有壳单元、实体壳单元，又有实体单元。铺层方法就可基于单元的铺层，也可基于曲面。失效准则包含最大应力、应变，蔡-吴/蔡-希准则，Hashin’s损伤理论，可以借助 forturn 语言定义 PUCK 准则，进行纤维和基体的失效分析。复合材料的分层破坏和胶接失效可以采用虚拟裂纹技术（VCCT）和 COHENSIVE 单元技术。

六叶片有限元计算实例：

叶片铺层