基于NURBS的复合材料构件多尺度建模技术研究.pdf

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1、硕士学位论文基于NURBS的复合材料构件多尺度建模技术研究RESEARCHONMULTI-SCALEMODELINGOFFIBREREINFORCEDCOMPOSITECOMPONENTSBASEDONNURBS郝宝坤哈尔滨工业大学2018年7月国内图书分类号：TP277学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文基于NURBS的复合材料构件多尺度建模技术研究硕士研究生：郝宝坤导师：金天国副教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TP2

2、77U.D.C：621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMULTI-SCALEMODELINGOFFIBREREINFORCEDCOMPOSITECOMPONENTSBASEDONNURBSCandidate：HaoBaokunSupervisor：JinTianguo,AssociateProfessorAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：Schoo

3、lofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要复合材料以其高比刚度、高比强度和可设计性等特点，广泛应用在航空航天领域。复合材料构件结构与材料一体成型，结构具有分层特性，材料分布不均匀，导致在设计过程中，几何模型的设计精度差，难以做到几何真实性表达，研制周期长；在批量分析过程中，存在从设计模型到分析模型的转换问题，导致信息割裂。针对这些问题，本文提出了一种集成复合材料层

4、合板构件设计和分析的全周期等几何建模方法，以NURBS为数学结构，建立了复合材料层合板多尺度几何模型，从宏观结构到细观和微观材料尺度对复合材料进行表达，实现结构和材料一体化设计，提出了一种复合材料构件的等几何仿真分析方法，实现CAD到CAE的无缝衔接，并开发了复合材料全周期等几何建模仿真软件系统，验证复合材料建模仿真结果。基于复合材料层合板设计要求，建立了复合材料设计与分析统一的全周期等几何建模系统框架，将设计分析过程分为概念模型设计、结构几何模型设计、材料模型设计和等几何有限元分析共四个模块，以NURBS为数学结构，建立多尺度复合材料概念模型和结构材料一体化几何

5、模型，实现构件的几何真实性表达，并提出了复合材料的等几何分析方法，完成从CAD到CAE的一体化设计，实现复合材料设计与分析的全周期数字化。复合材料的概念模型是基于产品的设计要求，提取结构特征参数、材料区域分布信息和结构失效强度，为后续的设计和分析奠定基础。研究了复合材料层合板的结构分层和材料分区特性，提出了复合材料层合板构件的多尺度几何模型建立方法。从宏观尺度上，建立了基于概念模型特征点阵的复合材料结构几何模型，表达产品曲面外形，并满足复合材料构件外形设计的反复性要求。在细观尺度上，以结构几何模型为研究对象，建立了基于概念模型材料分布信息的材料几何模型。并设计基于

6、T样条的对缝拼接算法和预埋孔轮廓扫描算法，并对复合材料的阶梯铺层区域实行过渡层合拟合建模，实现了对复合材料生产制造使用情况的几何真实性高度还原。最终建立了结构材料一体化几何模型，完成了从宏观、细观到微观的结构材料一体化设计。以几何模型为基础，提出了基于NURBS的复合材料等几何有限元分析方法。建立了复合材料的等几何分析数学模型，并基于概念分析模型，以结构材料一体化几何模型为直接输入，得到仿真分析结果，验证是否满足设计要求。复合材料的等几何分析完成了从CAD到CAE的跨越，实现了无缝衔接。开发了复合材料全周期等几何建模仿真软件系统。系统完成了以Paraview为渲染

7、核心，实现了概念模型、结构模型设计、材料模型设计和等几何分析设计的工-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文作流程，并以机翼蒙皮为实例验证了系统在复合材料的建模和仿真的可行性。关键词：复合材料；NURBS；多尺度；几何模型；等几何分析-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsaresultofhighspecificstiffness,highspecificstrengthanddesignablecharacteristic,compositematerialsarewidelyusedintheaerospacefield.Compositeco

8、mpone