【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及有限元模拟计算，尤其涉及一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法。
技术介绍
1、梯度复合材料的高速动态加载过程常常出现在航空航天领域的碰撞防护研究中。例如，航空飞机蒙皮与飞鸟等高速飞行物的高速碰撞，空间碎片与卫星的超高速碰撞。梯度复合材料由多层不同材料组成，每层材料具有不同的物理和机械特性，使得材料在受到冲击时能够逐层吸收能量，减少对下一层的冲击，在高速碰撞中，如飞机与飞鸟或空间碎片与卫星的碰撞，材料需要承受极高的瞬时冲击力。梯度复合材料通过其多层结构有效地分散和吸收这些冲击力。
2、现有的复合材料高速动态加载有限元计算模型，对于梯度复合材料的力学描述部分，只考虑了物态方程对于动态加载过程的影响，并且主要依靠严格按照实验构型手动有限元建模，而对于高速动态加载中的梯度复合材料变形模拟计算，存在建模重复、繁琐的问题，导致建模精度不高。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提出了一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，解决了现有技术对于高速动态加载中的梯度复合材料变形模拟计算，存在建模重复及繁琐的问题。
2、本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术提供了一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，包括以下步骤：
3、s1，建立层状梯度构型的二维轴对称结构模型；
4、s2，通过物态方程和本构模型对所述二维轴对称结构模型进行材料特性描述，得到所述二维轴对称结构模型的材料参数，所述材料参数
5、s3，基于所述剪切模量和所述屈服强度对冲击波速度与粒子速度进行修正，得到修正冲击波速度和修正粒子速度；
6、s4，通过所述分段数学关系、所述修正冲击波速度和所述修正粒子速度进行拟合，得到修正冲击波速度和修正粒子速度的修正分段数学关系，基于所述材料参数和所述修正分段数学关系，采用拉丁超立方抽样方法和中心复合设计抽样方法生成大量样本数据，通过多目标遗传算法评估样本数据的数据点，得到优化样本数据；
7、s5，基于所述优化样本数据进行建模，得到初始最优有限元模型，对所述初始最优有限元模型进行重复验证，得到最终的最优有限元模型。
8、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2包括：
9、所述物态方程的计算式为：
10、
11、其中，p为压力，pk(v)为冷压，γ(v)为物态方程系数，v为比容，e为比内能，ek(v)为冷能，pt为热压，et为热能。
12、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2还包括：
13、所述本构模型的计算式为：
14、
15、其中，g为剪切模量，g0为常压剪切模量，g'p为剪切模量对压力的一阶导数，g't为剪切模量对温度的一阶导数，p为压力，η为材料压缩度，t为温度，y为屈服强度，y0为常压屈服强度，y'p为屈服强度对压力的一阶导数，y't为屈服强度对温度的一阶导数，β为加工硬化效应第一修正参数，n为加工硬化效应第二修正参数，ε为加工硬化效应第三修正参数。
16、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2还包括：
17、所述冲击波速度与粒子速度的分段数学关系式为：
18、
19、其中，d为冲击波速度，u为粒子速度，x为临界速度，u0,1为粒子速度小于临界速度时的加载前的初始粒子速度，c0,1为粒子速度小于临界速度时的实测冲击波速度与粒子速度的第一线性拟合常数，λ1为粒子速度小于临界速度时的实测冲击波速度与粒子速度的第二线性拟合常数，u0,2为粒子速度不小于临界速度时的加载前的初始粒子速度，c0,2为粒子速度不小于临界速度时的第一非线性拟合常数，λ2为粒子速度不小于临界速度时的第二非线性拟合常数，τ为粒子速度不小于临界速度时的抛物线二次项系数。
20、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3包括：
21、所述修正冲击波速度和所述修正粒子速度的计算式为：
22、
23、其中，d'为修正冲击波速度，d为冲击波速度，g0为常压剪切模量，g'p为剪切模量对压力的一阶导数，g't为剪切模量对温度的一阶导数，p为压力，η为材料压缩度，t为温度，m为第一修正参数，a为第二修正参数，l为第三修正参数，k为第四修正参数，b为第五修正参数，u'为修正粒子速度，u为粒子速度，x为临界速度，y0为常压屈服强度，y'p为屈服强度对压力的一阶导数，y't为屈服强度对温度的一阶导数，β为加工硬化效应第一修正参数，n为加工硬化效应第二修正参数，ε为加工硬化效应第三修正参数。
24、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s4包括：
25、s41，采用所述拉丁超立方抽样方法和所述中心复合设计抽样方法设计多组层状梯度复合材料几何模型；
26、s42，建立非线性回归响应面模型，通过所述多目标遗传算法对所有样本点进行评估，得到优化样本数据。
27、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s41包括：
28、将所述材料参数、所述修正冲击波速度和所述修正粒子速度设为设计变量，采用所述拉丁超立方抽样方法和所述中心复合设计抽样方法进行抽样设计，生成多组层状梯度复合材料几何模型，并进行批量有限元仿真计算。
29、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s42包括：
30、对非线性回归响应面模型进行数据拟合和精度验证，以被加载样品的后界面峰值速度作为输出变量，通过多目标遗传算法对所有样本点进行评估，得到优化样本数据。
31、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s5包括：
32、s51，对所述优化样本数据进行有限元模拟计算，结合边界条件设定、力学描述设定以及网格划分，建立所述初始最优有限元模型，并开展显式动力学计算；
33、s52，通过最终粒子速度和计算时间成本对所述初始最优有限元模型进行重复验证和性能评估，得到最终的最优有限元模型。
34、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1包括：
35、s11，根据高速动态加载工况下的材料力学特性，设计多层层状梯度构型，并确定各层材料的类型、厚度和排列顺序；
36、s12，采用二维轴对称结构简化三维模型，所述二维轴对称结构模型包括炮身和多层梯度复合材料。
37、本专利技术的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法相对于现有技术具有以下有益效果：
38、(1)通过将物态方程与本构模型相结合，进行力学材料特性描述，并结合响应面优化方法与有限元计算模型，引入本构模型和参数修正，实现了梯度复合材料高速动态加载有限元模型的全面优化，使得粒子速度曲线在各个关键区域的综合误差得到控制，采用拉丁超立方抽样方法设计多组模型并评估大量个样本点，实现了建模过程的自动化，通过简化二维轴本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S2包括：
3.如权利要求2所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S2还包括：
4.如权利要求3所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S2还包括：
5.如权利要求4所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S3包括：
6.如权利要求1所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S4包括：
7.如权利要求6所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S41包括：
8.如权利要求7所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S42包括：
9.如权利要求1所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，
10.如权利要求1所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤S1包括：
...【技术特征摘要】
1.一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤s2包括：
3.如权利要求2所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤s2还包括：
4.如权利要求3所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤s2还包括：
5.如权利要求4所述的一种梯度复合材料高速动态加载的有限元模型优化计算方法，其特征在于，步骤s3包括：
6....
【专利技术属性】
技术研发人员：罗国强，郭成成，张艺炜，辛晓龙，张睿智，张建，沈强，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。