基于PCL的復(fù)合材料鋪層參數(shù)化開發(fā)

傅志婷

摘要：隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，有限元仿真已經(jīng)成為大型機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中極其種重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電裝置最重要的結(jié)構(gòu)為葉片，隨著葉片尺寸的增加，葉片上多達(dá)上千種組合的復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)都給有限元分析建模帶來了更大的挑戰(zhàn)，通過PCL語言對(duì)復(fù)合材料鋪層過程以及基本的加載過程進(jìn)行參數(shù)化開發(fā)，可有效提高葉片復(fù)合材料鋪層的建模速度，且可用于不同結(jié)構(gòu)尺寸的葉片，為葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及模態(tài)等仿真計(jì)算帶來了極大的便利。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片 PCL 參數(shù)化 有限元分析

1引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的大力發(fā)展，風(fēng)機(jī)尺寸和重量也越來越大，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)尺寸是20世紀(jì)80年代的100倍【1】。復(fù)合材料本身具有強(qiáng)度剛度高，可設(shè)計(jì)性和承載性好等特性。對(duì)風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料鋪層建模，通過有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)等進(jìn)行分析來優(yōu)化葉片鋪層成為有效的設(shè)計(jì)輔助方式【2】。葉片結(jié)構(gòu)由不同類型角度的纖維織物以及夾芯鋪層組成，多達(dá)數(shù)百層，沿葉片展向以及弦向不同區(qū)域鋪層不一致，形成上千種組合，采用有限元軟件建模需要手動(dòng)逐層進(jìn)行，步驟繁瑣且極其容易出錯(cuò)，完成一個(gè)完整葉片的復(fù)合材料鋪層建模往往需要數(shù)十個(gè)工作日。為提高葉片設(shè)計(jì)效率，有限元建模參數(shù)化十分必要。

2、 商業(yè)軟件patran及PCL語言

MSC.PATRAN和NASTRAN是國(guó)際上公認(rèn)的功能強(qiáng)度的有限元分析工具，廣泛的應(yīng)用于航空，航天，船舶，建筑，機(jī)械等行業(yè)。由于NASTRAN模態(tài)以及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)等仿真精度的優(yōu)勢(shì)，因此廣泛的應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的仿真計(jì)算中。CL語言是一個(gè)高級(jí)，模塊化的結(jié)構(gòu)編程語言，是一種功能齊全的計(jì)算機(jī)語言。和C語言，F(xiàn)ortran類似，可用于生成應(yīng)用程序以及用戶自定義界面，讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)，將用戶化的部分集成到PATRAN環(huán)境界面中以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展與統(tǒng)一使用。

3、 參數(shù)化建模

復(fù)合材料葉片要經(jīng)歷幾何建模，網(wǎng)格劃分，材料屬性以及邊界，分析工況及提交，結(jié)果查看等步驟【3】，不同的是復(fù)合材料為層合板，需要經(jīng)過逐層的鋪設(shè)來完成建模。

1） 幾何模型：三維CAD建模軟件先將葉片的表面進(jìn)行幾何建模，并在網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，準(zhǔn)備好初步的模型。

2） 材料參數(shù)化：先通過文件讀取讀入材料屬性數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)材料個(gè)數(shù)：status = text_open（ filename， "OR"， 0， 0， channel ）【4】建立循環(huán)將數(shù)據(jù)讀入二維數(shù)組，將數(shù)組寫入材料屬性，主要程序i_return_value =material.create（）

3） 鋪層參數(shù)化：鋪層有兩種一種為普通鋪層只在Z方向葉片展向進(jìn)行鋪層區(qū)分，一種為錯(cuò)層鋪層，需要在展向分區(qū)的同時(shí)沿著弦向進(jìn)行錯(cuò)層分區(qū)。錯(cuò)層因?yàn)樯婕暗较揖€不能簡(jiǎn)單的用坐標(biāo)軸的方向來表示因此需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的間距來判斷錯(cuò)層的分區(qū)因此需要較復(fù)雜的程序來完成。主要程序：

i_return_value =p3cm.create_ply_add_5（ "Scissor"， data（m，2）， data（m，1），start_pt， view_dirn， ref_dirn， ref_ang，0， [0.， 0.， 0.]， ""， -1.， 1.， -1.， -0.5， 0， ""， ""， 2， 0， 0.，[0.， 0.， 0.， 0.]， 1， ["`lista`"]， "" ）

db_get_all_node_ids_in_group（num_nodes2，group_id，nodes_ids）

db_get_nodes（num_nodes2，nodes_ids，ref_coords2，analy_coords2，glob1_xyz）

IF（glob2>17.0 && glob2<33.0 && glob4<0） THEN

ga_group_current_set（ "node_end"http://str_from_integer（i））

4） 加載參數(shù)化：在excel中按照如下格式將MPC數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，可按照需要增加任意多個(gè)數(shù)據(jù)。讀取準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)文件，統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)，將數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中，根據(jù)單元和坐標(biāo)起始點(diǎn)循環(huán)篩選出每個(gè)MPC的所有節(jié)點(diǎn)，循環(huán)提取每個(gè)MPC所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，計(jì)算得到加載節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，建立節(jié)點(diǎn)，建立MPC進(jìn)行加載。

i_return_value = list_create_node_att_value （ ?ra_coord_values， [FALSE， FALSE， TRUE]， ["equal"， "equal"， "equal"]， ?[5.， 0.， 0.5]， "Coord 0"， "lista"， uil_list_create_current_list ）

i_return_value=asm_const_grid_xyz（s_output_ids，s_coordinates_list，s_coord_frame， sv_created_ids ）

i_return_value = fem_create_mpc_nodal2（str_to_integer（data（j，3）），"RBE3"， 0.， 2， [TRUE， FALSE]，["0."， "1.0"]， ["`listb`"，"`lista`" ?["UX，UY，UZ，RX，RY，RZ"，"UX，UY，UZ，RX，RY，RZ"] ?）

5）patran界面集成：三個(gè)程序分別用于定義菜單欄，選擇文件，以及應(yīng)用文件界面

4、結(jié)論

通過PCL進(jìn)行參數(shù)化開發(fā)后，用戶建立葉片復(fù)合材料鋪層有限元模型時(shí)間從之前的十幾個(gè)工作日縮短到兩天左右，同時(shí)由于自動(dòng)建立的模型不會(huì)出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤需要手動(dòng)檢查調(diào)整，減少了錯(cuò)誤率。極大的提高了復(fù)合材料鋪層建模的準(zhǔn)確性與高效性。該程序可在不同的葉片建模中進(jìn)行通用，避免了繁復(fù)的重復(fù)勞動(dòng)，為以后復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)建模打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)由于PCL為MSC PATRAN軟件的二次開發(fā)語言，因此將界面直接嵌入到已有軟件中，更便于使用和擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

【1】李志敏，李春，高偉，武玉龍 大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片鋪層設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特性研究 ?現(xiàn)代制造工程.2014.3

【2】閆景玉 大型風(fēng)機(jī)葉片的疲勞壽命估算 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文

【3】娜日薩 張悅 應(yīng)用MSC/Patran二次開發(fā)語言PCL實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，中國(guó)船舶工業(yè)第708研究所船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家工程研究中心

【4】MSC.Patran，PCL and Customization，MSC公司，1998