一種金屬橡膠優化設計與性能預報方法
【專利摘要】一種金屬橡膠優化設計與性能預報方法，它首先根據金屬橡膠毛坯鋪設軌跡的規劃結果建立毛坯幾何模型；然后利用無網格數值分析方法處理全部線匝離散單元的變形問題，再根據金屬橡膠毛坯在沖壓模具中的邊界約束及內部接觸線匝之間的約束條件建立動態數值計算模型，并通過該模型的輸出重構沖壓成型后金屬橡膠制品的組織結構；之后對金屬橡膠制品的組織結構進行簡化，提取出唯象分析模型；最后從建立的動態數值計算模型、唯象分析模型出發，實現金屬橡膠的優化設計和性能預報。本發明突破了具有普適性的金屬橡膠復雜空間網狀結構特征提取與力學分析模型建立的技術瓶頸，解決了基于數值模擬技術的金屬橡膠優化設計和性能預報的難題。
【專利說明】一種金屬橡膠優化設計與性能預報方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于數值模擬技術的金屬橡膠優化設計和性能預報方法，屬于金屬加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]金屬橡膠(Matal Rubber/Wire Mesh)是近年來科學家在克服普通橡膠缺點的探索過程中發明的一種新型高彈性、大阻尼材料。它采用金屬絲做為原材料，經過金屬絲螺旋成型、螺旋卷定螺距拉伸、毛坯纏繞、冷沖壓成型、熱處理退火等工藝制造，內部互相接觸勾連的螺旋卷線匝形成類似于橡膠高分子的空間網狀結構，具有耐高/低溫、酸腐蝕、油污染、強輻射等優異的物理機械性能，是空間站、運載火箭、高軌道衛星、航空發動機、大型水面戰艦、常規/核潛艇、重型魚雷等國防高【技術領域】急需的關鍵材料。
[0003]金屬橡膠毛坯內部螺旋線匝相互勾連形成復雜的非連續的組織結構，并且在沖壓成型過程中會產生非線性變形，給金屬橡膠內部線匝相互接觸勾連形成的空間網狀結構特征的準確刻畫，以及這種結構特征與制備工藝參數之間關系的力學分析模型的建立帶來很大困難。基于上述原因，到目前為止人們仍然沒有找到一種可行的金屬橡膠優化設計方法，也無法對金屬橡膠的性能進行準確預報。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術之弊端，提供一種金屬橡膠優化設計與性能預報方法，徹底解決金屬橡膠優化設計和性能預報的難題。
[0005]本發明所述問題是以下述技術方案實現的:
一種金屬橡膠優化設計與性能預報方法，所述方法首先根據金屬橡膠毛坯鋪設軌跡的規劃結果建立毛坯幾何模型；然后利用無網格數值分析方法處理全部線匝離散單元的變形問題，再根據金屬橡膠毛坯在沖壓模具中的邊界約束及內部接觸線匝之間的約束條件建立動態數值計算模型，并通過該模型的輸出重構沖壓成型后金屬橡膠制品的組織結構；之后對金屬橡膠制品的組織結構進行簡化，提取出唯象分析模型；最后從建立的動態數值計算模型、唯象分析模型出發，實現金屬橡膠的優化設計和性能預報。
[0006]上述金屬橡膠優化設計與性能預報方法，所述方法包括以下步驟:
a、金屬橡膠毛坯鋪設軌跡規劃
對金屬橡膠毛坯的每一層螺旋卷及鋪設面設置相同的背景網格，背景網格由眾多小正方形組成，其內外邊界與實際鋪設區域的邊界一致；
將螺旋卷簡化成寬度等于螺旋卷直徑的線，將每層螺旋卷在對應的背景網格上投影，一個小網格被投影覆蓋的面積與小網格的總面積比記為q，將q作為該網格的權值；
定義如下三個目標函數:
①鋪設面背景網格權值為零的網格數量；
②鋪設面背景網格中所有網格權值的方差；③所有單層背景網格的網格權值的方差；
第一層的鋪設路徑由人為指定，鋪設k層螺旋卷(k=l，2，3……)后，利用啟發式算法(如遺傳算法)對第k+Ι層的i+i條路徑進行計算，使前k+Ι層對應的三個目標函數值最小，
得到第k+Ι層的鋪設路徑，最后由所有層的鋪設路徑得到螺旋卷中心線線架模型；
b.金屬橡膠毛坯幾何模型的建立
在螺旋卷中心線線架模型的基礎上，以中心線線架上的P點為原點，Pt點為中線線架上的任意一點，以點處中心線線架的切線力軸建立局部坐標系P)，與::軸的距離等于螺旋卷半徑的動點#在繞2軸旋轉的同時沿P軸正向運動，其旋轉的角度每增加,就在7軸上移動一個螺旋卷螺距A，按照設定的步長沿螺旋卷中心線線架移動”則動點#的軌跡形成金屬橡膠毛坯的幾何模型；
所述步長應根據螺旋卷中心線線架模型的形狀來確定，對于曲率半徑較大的部分，步長可取大一些，對于曲率半徑較小的部分，步長應取小一些，步長越小，所建立的金屬橡膠毛坯幾何模型精度越高；
c.金屬橡膠非連續、變形(本發明中的非連續是指金屬橡膠毛坯內部螺旋卷線匝相互勾連形成非連續的組織結構；變形是指金屬橡膠毛坯在沖壓成型過程中會產生非線性的變形)空間網狀結構 無網格數值分析及動態數值計算模型建立
①對金屬橡膠毛坯幾何模型中的螺旋卷線匝進行無網格離散；
②金屬橡膠毛坯與模具接觸約束的判斷處理
采用與模具形狀一致的剛性面，對金屬橡膠毛坯表面進行約束，每η個迭代步(η為正整數)，對剛性面附近節點掃描一次，計算節點對剛性面的穿透量，設定允許穿透的閾值ζ
，當節點穿透量4大于弓時，對節點施加4-ζ的位移邊界條件，始終將節點對剛性面的穿
透量控制在閾值A之內；
③金屬橡膠內部線匝接觸約束的判斷處理
假定只在金屬絲軸線上設置節點，每m個迭代步(m為正整數)，對每個節點與鄰域內節點的距離掃描一次，找出發生接觸的位置，在每個接觸對中，計算兩個接觸表面的相互穿透
距離4，設定允許穿透閾值若&大于&，則對接觸對的每段金屬絲施加位移約束，位
移約束大小為(4.-弓)/2,方向為背離接觸方向，作用點為表面接觸點；
④動態數值計算模型的建立
對接觸處的節點施加位移邊界條件，對于未發生接觸的節點，則施加力邊界條件，邊界條件滿足后，選擇適當的步長迭代，建立動態數值計算模型；
d.依據動態數值計算模型的輸出重構沖壓成型后金屬橡膠制品的組織結構的幾何模型，再對該幾何模型進行簡化，將線匝接觸部位簡化為具有接觸彈性變形的干摩擦單元，將線匝其他部分簡化為非線性彈性單元，建立唯象力學分析模型；
e.金屬橡膠的優化設計及性能預報
①依據動態數值計算模型的數據輸出，對金屬橡膠內部應力分布、載荷-位移特性進行預報和優化設計 根據動態數值計算模型輸出的應力云圖，求得金屬橡膠內部的應力分布情況；設置載荷迭代步長，根據動態數值計算模型輸出的位移值，繪制金屬橡膠的載荷-位移曲線，即能對金屬橡膠的靜態載荷-位移特性進行預報；若金屬橡膠內部局部應力過大，超過材料屈服極限，或者預報的金屬橡膠載荷-位移曲線與預期達到的設計曲線偏差較大時，超過10%，則應調整金屬橡膠制備工藝參數，調整金屬絲材質、絲徑、螺旋卷直徑及螺距，對金屬橡膠重新進行優化設計，使其滿足設計要求；再通過動態數值計算模型輸出重構的沖壓成型后的組織結構的幾何模型，對成型后的密度分布、幾何尺寸進行預報；
對密度分布的預報方案:將重構的幾何模型分割成若干空間微小立方體，通過計算空間微小立方體內包含線匝的體積與微小立方體體積之比，可以對成型后的金屬橡膠密度分布情況進行預測，從而了解成型后金屬橡膠組織結構是否均勻；對幾何尺寸的預報方案:通過去除沖壓成型后動態數值計算模型的模具約束邊界條件，對動態數值計算模型的回彈量進行計算，即可實現對成型后的金屬橡膠幾何尺寸進行預測，判斷其是否滿足設計要求；
②依據唯象力學分析模型，對金屬橡膠動態力學性能在不同頻率、不同幅值加載條件下的彈性變形和阻尼耗能特性進行預報
根據所建立的唯象力學分析模型，繪制不同頻率、不同幅值簡諧位移激勵或力激勵下的金屬橡膠動態載荷-位移遲滯回線，根據遲滯回線對金屬橡膠的動態剛度及阻尼耗能特性進行預測，判斷其是否滿足設計要求。
[0007]本發明在建立毛坯幾何模型、動態數值計算模型、唯象分析模型的基礎上對金屬橡膠進行優化設計及性能預報，由于唯象分析模型直接來源于幾何模型和動態數值計算模型的輸出結果，因此能夠全面準確地反映金屬橡膠制備工藝參數(金屬絲直徑、螺旋卷直徑、毛坯纏繞或鋪設方式、沖壓成型壓力及過程)對空間網狀結構特征(線匝空間取向、接觸角度、勾連滑移模式、孔隙結構)的決定性影響作用機理，為實現金屬橡膠的優化設計和性能預報創造了有利條件。
[0008]本發明采用數值計算與實驗研究相結合的技術手段，突破了具有普適性的金屬橡膠空間網狀結構特征提取與力學分析模型建立的技術瓶頸，解決了基于數值模擬技術的金屬橡膠優化設計和性能預報的難題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0010]圖1是鋪設區域邊界圖；
圖2是背景網格圖；
圖3是三維螺旋卷中心線線架結構模型，其中(a)為實心圓柱線架結構，(b)為空心圓柱線架結構；
圖4是點處局部坐標系和動點#示意,其中(a)為Pi臨近處螺旋卷及動點#, (b)為動點#在XfT平面上的位置；
圖5是毛坯幾何模型，其中(a)為實心圓柱毛坯，(b)為空心圓柱毛坯。
[0011]圖中各標號清單為:1、外邊界，2、螺旋卷，3、設備鋪設板立柱，4、內邊界，5、背景網格。【具體實施方式】
[0012]本發明從金屬橡膠毛坯各種鋪設或纏繞入手，通過借鑒空間參數化模型方法，首先建立一個能夠全面反映毛坯制備工藝參數(金屬絲直徑、螺旋卷直徑、毛坯纏繞或鋪設方式)影響作用的幾何模型；其次從毛坯幾何模型出發，引入解決非線性變形有獨特優勢的無網格數值分析方法處理全部線匝離散單元的變形問題，再通過金屬橡膠毛坯在沖壓模具中的邊界約束及內部接觸線匝之間的約束條件建立一個能夠反映金屬橡膠組織結構隨成型過程變化的動態數值計算模型；然后通過動態數值計算模型的輸出重構沖壓成型后金屬橡膠制品的組織結構，再對金屬橡膠制品的組織結構進行簡化提取出便于進行力學性能分析的唯象分析模型。由于唯象分析模型直接來源于幾何模型和動態數值計算模型的輸出結果，能夠全面準確地反映金屬橡膠制備工藝參數(金屬絲直徑、螺旋卷直徑、毛坯纏繞或鋪設方式、沖壓成型壓力及過程)對空間網狀結構特征(線匝空間取向、接觸角度、勾連滑移模式、孔隙結構)的決定性影響作用機理。最后從建立的動態數值計算模型、唯象分析模型出發，即可實現對金屬橡膠進行優化設計和性能預報。
[0013]具體步驟為:
⑴金屬橡膠毛坯鋪設軌跡規劃及毛坯幾何模型建立 ①軌跡規劃
金屬橡膠毛坯鋪設軌跡規劃是在數控全自動金屬橡膠毛坯鋪設設備上進行的。在金屬橡膠毛坯制備過程中 ，通過計算機協調控制對制備金屬橡膠的金屬絲螺旋線的移動路徑進行規劃。
[0014]為評估毛坯中金屬絲螺旋線匝分布的均勻性，采用圖2所示的背景網格技術，SP對每一層螺旋卷及鋪設面設置相同的背景網格，背景網格由眾多小正方形組成，內外邊界與圖1所示的實際鋪設區域邊界一致。
[0015]對金屬橡膠毛坯鋪設進行軌跡規劃時，將針柱簡化成點(圖1)，將螺旋卷簡化成點與點之間的連線，連線寬度為螺旋卷直徑。每一層螺旋卷鋪設完成時，在當前層的背景網格上投影，投影會覆蓋相應小網格一定面積。一個小網格被覆蓋的面積與小網格的總面積比為q，q的取值范圍為[0，1]。這樣就生成了每一層被賦予權值的背景網格。將每一層背景網格的權值疊加到鋪設面背景網格，即對鋪設面背景網格賦予權值。
[0016]定義如下三個目標函數:
a、鋪設面背景網格權值為零的網格數量；
b、鋪設面背景網格中所有網格權值的方差；
C、所有單層背景網格的網格權值的方差。
[0017]若已經鋪設了 k層螺旋卷(k=l，2，3……)，則已知前k層對應的所有網格權值和第
k+Ι層的鋪設起點。利用啟發式算法(如遺傳算法)對第k+Ι層的(1條路徑進行計算，使前
k+Ι層對應的三個目標函數值最小。第I層的鋪設路徑由人為指定，這樣就實現了鋪設軌跡的優化。
[0018]②毛坯幾何模型建立
金屬橡膠毛坯鋪設軌跡規劃完成后，可形成圖3所示的螺旋卷中心線線架模型。
[0019]在螺旋卷中心線線架模型(圖3)的基礎上，通過中心線線架P點建立局部坐標系(XW )(圖4 (a))，動點M沿F正向運動，則M在XT平面內的投影軌跡(圖4 (b))繞P軸每增加2π, M在i軸上移動一個螺距A (圖4(a))，按照設定的步長沿螺旋卷中心線線架移動?即可形成毛坯幾何模型(圖5)。
[0020](2)金屬橡膠非連續、變形的空間網狀結構無網格數值分析及動態數值計算模型
建立
①非連續、復雜變形的空間網狀結構無網格劃分
針對沖壓成型過程中的變形特性，選用無網格法作為研究金屬橡膠的空間網狀結構動態變化過程的數值計算方法。依據所建立的毛坯幾何模型，對毛坯幾何模型中的螺旋線匝進行無網格離散。
[0021]本發明中的無網格法是將研究對象離散為節點，節點之間無需網格聯系，節點的函數值是該節點影響域內節點的函數值通過最小二乘擬合或積分變換得到，即形函數不是插值函數。本發明中的有限元法是將研究對象離散為單元，以單元為研究對象，單元內任意點的函數值通過節點值插值得到，形函數為插值函數。
[0022]②金屬橡膠內、外部線匝接觸約束的判斷處理
a、金屬橡膠毛坯與模具接觸約束的判斷處理
采用與模具形狀一致的剛性面，對毛坯表面進行約束。 [0023]每η個迭代步(η為正整數)，對剛性面附近節點掃描一次，計算節點對剛性面的穿
透量。設定允許穿透的閾值6 ,當節點穿透量4大于弓時，對節點施加4-?的位移邊界條
件，始終將節點對剛性面的穿透量控制在閾值弓之內。
[0024]b、金屬橡膠內部線匝接觸約束的判斷處理
考慮接觸對線匝的約束作用，對線匝之間的接觸進行簡化。
[0025]為了控制動態數值計算模型的規模，假定只在金屬絲軸線上設置節點。每m個迭代步(m為正整數)，對每個節點與鄰域內節點的距離掃描一次，找出發生接觸的位置。在每
個接觸對中，計算兩個接觸表面的相互穿透距離設定允許穿透閾值A ,若.?大于勺，
則對接觸對的每段金屬絲施加位移約束。位移約束大小為^-^/2,方向為背離接觸方向，
作用點為表面接觸點。由于位移約束必須施加在節點上，所以將上述位移矢量插值加載到接觸點附近節點上。如果金屬絲之間出現線接觸，則用幾個點接觸近似模擬。始終將金屬
絲之間的穿透量控制在閾值氣;之內。
[0026]③動態數值計算模型建立
對接觸處的節點施加位移邊界條件，對于其它未發生接觸的節點，施加力邊界條件。邊界條件滿足后，選擇適當的步長迭代，即可建立適當規模的動態數值計算模型。
[0027](3)基于動態數值計算模型輸出的結構特征提取和唯象力學分析模型建立 依據動態數值計算模型的輸出即可重構沖壓成型后金屬橡膠制品的組織結構的幾何
模型，再對金屬橡膠制品的組織結構(幾何模型)進行簡化即可提取建立便于進行力學性能分析的唯象力學分析模型。
[0028](4)基于動態數值計算模型、唯象力學分析模型的優化設計及性能預報 ①依據動態數值計算模型的數據輸出，可對金屬橡膠內部應力分布、載荷-位移特性進行預報和優化設計；再通過動態數值計算模型輸出重構的沖壓成型后的組織結構的幾何模型，可對成型后的密度分布、幾何尺寸進行預報。
[0029]②依據唯象力學分析模型，可對金屬橡膠動態力學性能(不同頻率、不同幅值加載條件下的彈性變形和阻尼耗能特性)進行預報。
【權利要求】
1.一種金屬橡膠優化設計與性能預報方法，其特征是，所述方法首先根據金屬橡膠毛坯鋪設軌跡的規劃結果建立毛坯幾何模型；然后利用無網格數值分析方法處理全部線匝離散單元的變形問題，再根據金屬橡膠毛坯在沖壓模具中的邊界約束及內部接觸線匝之間的約束條件建立動態數值計算模型，并通過該模型的輸出重構沖壓成型后金屬橡膠制品的組織結構；之后對金屬橡膠制品的組織結構進行簡化，提取出唯象分析模型；最后從建立的動態數值計算模型、唯象分析模型出發，實現金屬橡膠的優化設計和性能預報。
2.根據權利要求1所述的一種金屬橡膠優化設計與性能預報方法，其特征是，所述方法包括以下步驟: a.金屬橡膠毛坯鋪設軌跡規劃 對金屬橡膠毛坯的每一層螺旋卷及鋪設面設置相同的背景網格，背景網格由眾多小正方形組成，其內外邊界與實際鋪設區域的邊界一致； 將螺旋卷簡化成寬度等于螺旋卷直徑的線，將每層螺旋卷在對應的背景網格上投影，一個小網格被投影覆蓋的面積與小網格的總面積比記為q，將q作為該網格的權值； 定義如下三個目標函數: ①鋪設面背景網格權值為零的網格數量； ②鋪設面背景網格中所有網格權值的方差； ③所有單層背景網格的網格權值的方差； 第一層的鋪設路徑由人為指定，鋪設k層螺旋卷(k=l，2，3……)后，利用啟發式算法(如遺傳算法)對第k+Ι層的％+1條路徑進行計算，使前k+Ι層對應的三個目標函數值最小，得到第k+Ι層的鋪設路徑，最后由所有層的鋪設路徑得到螺旋卷中心線線架模型； b.金屬橡膠毛坯幾何模型的建立 在螺旋卷中心線線架模型的基礎上，以中心線線架上的點為原點，以P點處中心線線架的切線為Zf軸建立局部坐標系，與Zf軸的距離等于螺旋卷半徑的動點#在繞P軸旋轉的同時沿:？軸正向運動，其旋轉的角度每增加2π，就在Ji軸上移動一個螺旋卷螺距A，按照設定的步長沿螺旋卷中心線線架移動，則動點#的軌跡形成金屬橡膠毛坯的幾何模型； c.金屬橡膠非連續、變形的空間網狀結構無網格數值分析及動態數值計算模型建立 ①對金屬橡膠毛坯幾何模型中的螺旋卷線匝進行桿單元的無網格離散； ②金屬橡膠毛坯與模具接觸約束的判斷處理 采用與模具形狀一致的剛性面，對金屬橡膠毛坯表面進行約束，每η個迭代步(η為正整數)，對剛性面附近節點掃描一次，計算節點對剛性面的穿透量，設定允許穿透的閾值巧，當節點穿透量4大于弓時，對節點施加的位移邊界條件，始終將節點對剛性面的穿 透量控制在閾值ζ之內； ③金屬橡膠內部線匝接觸約束的判斷處理 假定只在金屬絲軸線上設置節點，每m個迭代步(m為正整數)，對每個節點與鄰域內節點的距離掃描一次，找出發生接觸的位置，在每個接觸對中，計算兩個接觸表面的相互穿透距離4，設定允許穿透閾值若4大于&，則對接觸對的每段金屬絲施加位移約束，位移約束大小為,方向為背離接觸方向，作用點為表面接觸點； ④動態數值計算模型的建立 對接觸處的節點施加位移邊界條件，對于未發生接觸的節點，則施加力邊界條件，邊界條件滿足后，選擇適當的步長迭代，建立動態數值計算模型； d.依據動態數值計算模型的輸出重構沖壓成型后金屬橡膠制品的組織結構的幾何模型，再對該幾何模型進行簡化，將線匝接觸部位簡化為具有接觸彈性變形的干摩擦單元，將線匝其他部分簡化為非線性彈性單元，建立唯象力學分析模型； e.金屬橡膠的優化設計及性能預報 ①依據動態數值計算模型的數據輸出，對金屬橡膠內部應力分布、載荷-位移特性進行預報和優化設計 根據動態數值計算模型輸出的應力云圖，求得金屬橡膠內部的應力分布情況；設置載荷迭代步長，根據動態數值計算模型輸出的位移值，繪制金屬橡膠的載荷-位移曲線，即對金屬橡膠的靜態載荷-位移特性進行預報；若金屬橡膠內部局部應力過大，超過材料屈服極限，或者預報的金屬橡膠載荷-位移曲線與預期達到的設計曲線偏差較大時，超過10%，則應調整金屬橡膠制備工藝參數，調整金屬絲材質、絲徑、螺旋卷直徑及螺距，對金屬橡膠重新進行優化設計，使其 滿足設計要求；再通過動態數值計算模型輸出重構的沖壓成型后的組織結構的幾何模型，對成型后的密度分布、幾何尺寸進行預報； ②依據唯象力學分析模型，對金屬橡膠動態力學性能在不同頻率、不同幅值加載條件下的彈性變形和阻尼耗能特性進行預報 根據所建立的唯象力學分析模型，繪制不同頻率、不同幅值簡諧位移激勵或力激勵下的金屬橡膠動態載荷-位移遲滯回線，根據遲滯回線對金屬橡膠的動態剛度及阻尼耗能特性進行預測，判斷其是否滿足設計要求。
【文檔編號】G06F17/50GK103970948SQ201410185785
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】白鴻柏, 路純紅, 李冬偉, 曹鳳利 申請人:中國人民解放軍軍械工程學院