ABAQUS热分析毕业设计论文.docx
《ABAQUS热分析毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ABAQUS热分析毕业设计论文.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
ABAQUS热分析毕业设计论文
摘要
复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐腐蚀性以及材料的可设计性等优良性能，已成为新一代飞机中必不可少的材料。
目前，金属工装因其热膨胀系数较大，成型的复合材料制件以不能满足要求，采用复合材料作为复材制件成型工装的材料是今后发展的趋势。
由于传统工装设计以经验为主，造成工装结构不合理，降低了制件的质量，增加了生产成本。
因此，优化工装结构，稳定产品质量、降低成本已成为复材制件生产中继续解决的问题。
本文提出利用Python语言在ABAQUS平台上开发复材工装分析系统。
在此基础上，对一套实际复材工装进行热应力分析，得到工装的整体应变云图结果。
这些结果对工装的进一步结构优化提供了定量参考。
关键词：
复材工装、ABAQUS、Python、热应力分析
ThermallyanalyzedofcompositedmaterialprocessequipmentofaircraftbasedonABAQUSsimulation
Abstract
Withhighspecificstrength，highspecificstiffness，erode-resistantandmaterialdesignable,polymercompositematerialbecomeessentialinthenewgenerationofaircraft.nowadays,thecompositepartsformedusingmetalfrockwithalargecoefficientofthermalexpansioncannotmeettherequirements.therefore,theusesofcompositematerialfrockformingthecompositepartarethedevelopmenttrendinthefuture.thetraditionaldesignoffrockdependsonexperiencesmainly.resultinginthestructureoffrockisunreasonable.Affectingthequalityoftheproductsandincreasingtheproductioncosts.Consequentlyitisproblemneedtobesolvedurgentlyinformingcompositepartssuchasoptimizationoffrockstructure.inthispaper,compositematerialfrockdesignsystemisprogrammedinABAQUSusingpythonlanguage.Baseonthese,anactualcompositematerialfrockisthermallyanalyzed.Theseresultsprovidequantificationalreferenceformoreoptimizationoffrock.
Keywords:
compositematerialprocessequipment,ABAQUS,python,thermalanalysis
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
前言
飞机复材制件的质量与其成型工装的质量息息相关。
其原因在于：
在产品固化过程中，外加温度场不断变化，而由于复材工装本身的结构，导致与产品直接接触的模板的温度场也在不断变化。
模板各点温度不同，变形不同将影响最后产品胶接质量。
因此，均匀、迅速地升温、降温都是确保复材制件质量的重要因素。
本课题利用有限元软件ABAQUS，分析工装在高温情况下局部和整体变形，分析热变形造成工装局部、整体应变分布。
通过模拟分析，优化复材工装的结构，为下一步的投入生产作好充分准备，确保复材工装的质量，从而提高复材制件的成形质量。
本次研究针对成飞机的蒙皮制件，该制件采用双马树脂/碳纤维（QY8911/T300-3000-40B），成形温度为197℃，尺寸为2.7m×2m、精度要求为-0.5mm~+0.8mm、双曲面形状，从工装的设计和制造上具有一定的典型性。
军用飞机材料中的先进材料——复合材料于20世纪60年代问世后，它在航空航天结构上应用带来的突出的减重效果和优越的综合性能，使其迅速成为军用飞机四大结构材料之—，同时大型民用飞机正在积极将复合材料应用于主承力结构。
由于复合材料在军用装备轻质化、小型化、高性能化中起着至关重要的作用，因此飞机结构上复合材料用量现已成为飞机先进性的标志之一。
第一章绪论
1.1复合材料在航空领域的应用
复合材料于20世纪60年代问世后，它在航空航天结构上应用带来的突出的减重效果和优越的综合性能，使其迅速成为军用飞机四大结构材料之—，同时大型民用飞机正在积极将复合材料应用于主承力结构。
由于复合材料在军用装备轻质化、小型化、高性能化中起着至关重要的作用，因此飞机结构上复合材料用量现已成为飞机先进性的标志之一。
如图1-1所示复合材料在现代飞机上的应用已越来越广泛[1]。
图1-1复合材料在现代飞机上的分布图
国外自1980年的F-18军机开始，最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼，而且在机身上也采用大量先进复合材料，占结构重量的25%~50%，如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%，法国Rafale占40%，瑞士JAS3占30%，欧洲EF-2000则大于40%。
美国的杀手锏武器B2战略轰炸机占50%。
表1.1给出国外军用飞机结构材料质量百分比和复合材料应用部位。
表1-1国外军用飞机结构材料质量百分比和复合材料应用部位
机种
首飞
时间
复合
材料
铝合金
钛合金
钢
其他
复合材料应用部位
F-14
1969
1
39
24
17
19
硼/环氧水平安定面
F-15
1972
1.2
37.3
25.8
5.5
30.2
硼/环氧尾翼安定面
F-16
1976
2
64
3
3
28
碳/环氧（AS4/3502）
F/A-18
1978
12.1
50
9.3
12.6
16
碳/环氧机翼、尾翼
AV-8B
1982
26
47
9
15
3
碳/环氧机翼、尾翼
F-22
1996
24
15
36
碳/环氧机翼、尾翼
F/A-18
1998
22
27
23
碳/环氧机翼尾翼
B-2
1989
37
27
23
碳/环氧机翼、中机身
JAS39
1988
30
碳/环氧机翼、尾翼
Rafale
1991
24
碳/双马机翼、尾翼
EF2000
1994
30
25
12
碳/双马机翼、机身
Mig29
1977
7
垂尾
S-37
1997
21
前掠翼、尾翼
Mig1.42
1994
16
鸭翼、机翼、机身蒙皮
Mig1.44
2000
30
35
5
鸭翼、机翼、机身蒙皮
所以减轻飞行器的结构重量是飞行器设计的重要目标之一。
以此比强度比模量高的复合材料是飞行器理想的结构材料。
在飞行器复合材料构件中，很大部分是有聚合物基复合材料构成的，这种复合材料具有比强度和比模量高，耐疲劳性能好，减震性好，过载时安全性好，耐热性能好，各向异性及性能可设计性和工艺性好等特性[2]。
1.2复合材料制件成形工装的应用现状
复合材料的力学性能一方面取决于组分材料和材料设计，另一方面与成型工艺过程有关。
有了高质量的组分材料，并不意味着就一定能得到高质量的复合材料，其关键在于复合材料的成型工艺。
另外，现今复合材料生产制造环节占复合材料制造成本的70%左右因此降低生产制造环节的成本是降低复合材料成本的重要一环。
由于在复合材料制造时，制造和工装系统制件相互密切联系，很难划分他们制件的界限。
因此，复合材料工装系统在制造过程中具有重要地位。
1.2.1金属工装特点
现阶段复合材料特别是树脂基碳纤维复合材料产品的成型工装广泛采用金属基体工装，材料为：
20钢、INVAR钢等。
从目前的使用情况来看，这两种材料作为复材产品成型工装的结构材料会有许多缺点和不足，其中铝材工装由于与产品的热膨胀系数相差太大，成型的复材产品质量太差已不再使用，其它材质的金属工装也存在比热容大、热变形性大和难于完全热时效等缺点，对制造大尺寸高精度复合材料制件有明显的影响，很难满足复合材料结构零件的设计和使用要求。
20钢工装与Invar钢工装的优缺点如下
1.20钢工装：
热膨胀系数大，成本低，密度较大，热容量大，使用寿命长。
对于结构较复杂、尺寸较小的复合材料零件，成形模主要采用20钢包络板框架式焊接结构，模具材料与复合材料热膨胀系数不一致，导致复合材料制件固化后的真实尺寸比设计尺寸大；对于大型或者是双曲面且曲率变化大的工装，型面一般是焊接而成，模具易漏气，达不到复合材料成形的密封要求；另外存在内应力，导致复合材料零件翘曲变形。
2.Invar钢工装：
Invar钢是InvariableAlloy的简称，主要的特征是在加热时膨胀系数很小，仅为2.20×10-6（mm/℃），远低于其它金属的膨胀系数，仅为碳钢膨胀系数的1/6。
Invar钢是铁与镍等稀有金属制成的含有33%镍的合金。
Invar钢材料由于自身含镍量高，具有软、粘刀等加工特点，造成的切削性能显著下降及刀具磨损大，制造加工难度很大，精度难控制。
特别对于型面具有窄、深且双曲面形状的复合材料零件成形时Invar钢工装不易保证。
从目前使用情况来看，国内航空企业多采用热压罐固化成形系统来生产复合材料制件。
适用于热压罐中加热成形复合材料的工装主要有以下几种：
铝工装、钢工装、碳纤维环氧树脂复合材料工装。
但现阶段复合材料特别是树脂纤维复合材料产品的成型工装广泛采用金属工装，根据热压罐成形复合材料对工装的要求对这几种材料的工装做一比较，见表1-2几种工装性能比较。
表1-2不同材料工装的典型性能比较
工装材料
铝
钢
碳纤维环氧树脂
热膨胀系数（*10-6/℃）
24
12.1
3.6
热传导率（W/m.k）
172.98
43.4
2.976
密度（g/cm3）
2.7
7.86
1.5
材料成本
低
低
高
制作成本
低
较高
昂贵
制造难度
低
较大
大
耐久性
中等
好
差
可维修性
一般
一般
好
从表1.2中所列出的数据可以看出，对于热压罐成形中温固化复合材料构件的常用的几种不同材料工装各有优缺点[3-8]。
1.2.2复材工装特点
我国从20世纪80年代开始，将复合材料应用技术研究列入重点发展领域。
复合材料应用基本实现了从次承力构件到主承力构件的转变：
复合材料的垂直安定面、水平尾冀、方向舵、前机身等构件已在多种型号飞机上使用，可以小批量生产。
带整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功。
航空先进复合材料已进入实际应用阶段。
预计在某型战斗机上复合材料用量将超过结构重量的25%，特别是大尺寸复合材料零部件将得到更多的应用。
随着材料科学的发展，新型复合材料层出不穷，如何提高制造工艺水平，设计更合理的成型工装，充分体现材料的性能指标，降低成本，扩大应用领域，已成为我们努力的方向。
因此，大型复合材料工装设计制造技术成为了工装设计制造的一个迫切需要解决的难题。
因此，使用复合材料作为复材制件成型工装的结构材料具有其他不可比拟的优点，可大大提高复合材料结构的质量和成品率。
使用复合材料作为复材制件成型工装的构成材料是今后的发展趋势。
由于复合材料成本高，复材工装的质量直接影响复材制件的质量。
传统工装设计以经验为主，造成工装结构不合理，降低制件质量，增加成本。
因此确保复材工装的质量是成形出合格复材制件，降低成本的重要因数，进而优化复材工装的制造工艺就具有重要意义。
1.3复合材料成形工装基本要求
复合材料的成型时在工装中完成的，各种成型工艺对成型工装都有各自的要求，成型复合材料制件工装的基本要求：
（1）满足产品设计的精度要求，工装尺寸精度，工装材料尽可能与构件的热膨胀系数相匹配，以保证生产出的产品变形小，尺寸稳定性好；工装表面光滑、平整、密实、无缝隙、无针眼，保证产品质量；
（2）要有足够的刚度和强度，要能承受自重，制品重量、生产过程中的震动及活载荷的组合作用。
对大型产品，除了满足强度要求外，刚度要求以防止工装型面基准变形，影响产品质量和工装使用寿命；
（3）良好的热传导性和热稳定性。
工装要有足够的耐热性，防止加热固化变形，影响产品质量。
工装加热快，可缩短工装和制件在热压罐中的固化期，还节约能源；
（4）质量轻，材料来源充分。
工装的设计及选材在具有足够的刚度和强度时还要考虑其运输操作方便；
（5）成本低、易于加工。
工装的经济效益及加工的技术难度也是工装设计不可缺少的一个因素；
维护及维修简便。
要延长工装的使用寿命，工装可维修是个重要的手段。
现阶段复合材料特别是树脂基碳纤维复合材料产品的成型工装广泛采用金属基体工装，材料为：
铝、20钢、INVAR钢等。
从目前的使用情况来看，这三种材料作为复材产品成型工装的结构材料会有许多缺点和不足，其中铝材工装由于与产品的热膨胀系数相差太大，成型的复材产品质量太差已不再使用，其它材质的金属工装也存在比热容大、热变形性大和难于完全热时效等缺点，对制造大尺寸高精度复合材料制件有明显的影响，很难满足复合材料结构零件的设计和使用要求。
如表1-3。
表1-3金属工装成型产品状态表
工装材质
成型后产品零件状态
零件表面质量
长度（3米）方向变化值
宽度（0.6米）方向变化值
扭曲变化（2米长）
INVA钢T7016
产品表面光滑，外形美观
总长比理论值长出0.4毫米左右（合格）
总宽比理论值长出0.1毫米左右（合格）
产生2.2cm左右变形（不合格）
20钢
产品表面有局部地方不光顺，外形不如以上美观
总长比理论值长出2.1毫米左右（不合格）
总宽比理论值长出0.35毫米左右（合格）
产生4.75cm变形（不合格）
1.4本文研究意义与主要内容
1.4.1研究意义
本文的研究主要是针对某航空企业采用热压罐成形复材制件过程中所存在的实际需求而提出的，在成形过程中，外加温度场不断变化，模板各点温度不同，变形不同将影响最后产品胶接质量，均匀、迅捷的升温、降温都是确保复材制件质量的重要因素。
复合材料价格昂贵，提高复材制件的合格率是降低生产成本的一个重要因素，而复材制件的质量与其成型工装质量有关，复合材料制造过程是提高复合材料产品质量的重要环节，且生产制造成本占复合材料产品成本中占70%左右，所以生产制造环节是提高复合材料的产品性能稳定性以及降低成本的重要环节，因此优化工艺、提高工装精度以及降低工装成本成为可待解决的问题。
随着计算机技术的发展和计算机辅助工程CAE在热分析过程的广泛应用，对其生产工艺可行性和合理性进行评估以成为现实。
采用计算机技术将材料学、传热学和数学等多学科的知识加以集成，实现复材工装在热固成型过程的计算机模拟，从而推动复合材料成型工装的设计由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”分析，数值模拟技术是通过建立相应的数学模型，可以在昂贵费用时的工装制造之前，在计算机中对工艺的全过程进行分析。
目前采用ABAQUS软件分析复合材料制件成形过程中变形的研究较少，本文利用有限元软件ABAQUS，分析工装在高温情况下局部和整体变形，分析热变形造成工装局部、整体应变分析。
通过模拟分析，优化复材工装的结构，为下一步的投入生产做好充分准备，确保复材工装的质量，从而提高复材制件的成形质量。
1.4.2主要内容
本文主要内容如下：
第一章：
分析介绍国内复合材料在航空领域的应用，复合材料制件成型工装的特点及应用现状，以及本课题研究的主要内容；
第二章：
详细阐述了使用ABAQUS分析复材工装的具体步骤；
第三章：
介绍面向对象语言Python与ABAQUS的关系，并针对企业实际需求，使用Python在ABAQUS平台上开发复材工装分析系统，主要包括三方面：
操作的简化，知识经验的集成和后处理的提取；
第四章：
使用ABAQUS及所开发系统对一套复合材料进行热分析，并对结果作说明。
第五章：
对全文内容作总结，并对基于ABAQUS的复材工装分析作下一步展望。
第二章ABAQUS的基本分析过程
ABAQUS/CAE是ABAQUS的人机交互前后处理模块，提供了一个广泛的，全面的建模交互环境，利用ABAQUS/CAE可以方便、快捷地实现ABAQUS大部分的分析功能。
2.1ABAQUS/CAE简介
一个完整的ABAQUS有限元分析过程包括以下三个基本步骤：
前处理、分析计算和后处理，这三个步骤的联系及生成的相关文件如图2-1所示。
前处理ABAQUS/CAE或其他软件
模拟计算ABAQUS/Stand或ABAQUS/Explicit
输入文件：
job.inp
输出文件：
job.odb,job.dat,job.res,job.fil
后处理ABAQUS/CAE或其他软件
图2-1ABAQUS的分析步骤
1.前处理（ABAQUS/CAE）
在前处理阶段，需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件，对于一个简单的分析，可以直接用文本编辑器生成ABAQUS输入文件；但通常的做法是使用ABAQUS/CAE或其他处理程序，以图形方式生成模型。
2.模拟计算（ABAQUS/Stand或ABAQUS/Explicit）
模拟计算阶段使用ABAQUS/Stand或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，它通常以后台方式运行。
以应力的输出为例，包括位移和应力的输出数据被保存在二进制文件中以便于后处理。
完成一个求解过程所需要的时间可以从几秒到几天不等，这取决于所分析问题的复杂程度和所使用计算机的运算能力。
3．后处理（ABAQUS/CAE）
一旦完成了模拟计算并得到了位移、应力或其他基本变量后，就可以对计算结果进行评估。
评估通常可以通过ABAQUS/CAE的可视化模块或其他处理软件在图形环境下交互式进行。
可视化模块可以将读入的二进制输出数据库中的文件以多种方法显示结果，包括彩色等值线图、动画、变形图和X-Y曲线图等。
在整个分析中ABAQUS/CAE占有重要的地位，虽然可以采用其他的方法或元件来生成输出文件和进行后处理，但是作为ABAQUS专用的前后处理器，ABAQUS/CAE在对ABAQUS各种功能的之车以及操作的方便性无疑是最优的，所以也是进行前后处理的首选工具[9-11]。
2.2ABAQUS的功能模块
ABAQUS/CAE包括一系列的功能模块，每块模块包含其特定的工具。
应用各模块完成分析的顺序见图2-2，图中椭圆的表示在本研究复材工装中不会用到，因为在前处理过程中由其他软件完成。
Sketch（绘图）
Part（部件）
Property（特性）
Assembly（装配）
Step（分析布）
Interaction（相互作用）
Load（载荷）
Mesh（网格）
Job（分析作业）
Visualization（后处理）
图2-2分析顺序图
一个ABAQUS/CAE模型数据库中可以包含若干个互不相干的模型，利用环境栏中的Model列表可以在不同的模型之间切换。
每一个模型中只能包含一个装配体（Assembly）,装配体由若干个实例（Instance）组成。
实例并不需要创建，它只是部件（part）在装配体中的一种映射，一个部件可以对应多个实例。
材料（material）和截面属性（section）需要定义在部件上（其中材料定义在截面上），相互作用（interaction）、边界条件（boundarycondition）、载荷（load）等定义在实例上，网格可以定义在部件上或者实例上，求解控制参数（solvercontrols）和输出结果的控制参数（outputcontrols）定义在整个模型上，图2-3为ABAQUS/CAE模型数据库的结构示意图，从图中可以看出各模块之间的关系[12-16]。
载荷
边界条件
模型数据库（modeldatabase）
其他
输出参数
求解参数
部件2
部件1
网格
相互作用
…...
实体3
实体2
实体（instance）1
装配体（assembly）
……
模型2
模型（model）1
材料
截面
图2-3ABAQUS/CAE模型数据库的结构示意图
第三章基于Python的复材工装分析系统开发
ABAQUS是世界上最先进的的大型通用有限元计算分析软件之一，具有惊人的模拟能力，它拥有大量不同种类的胞元模型、材料模型等。
ABAQUS/CAE模块是一个完整的ABAQUS环境，提供一个简单一致的接口，可以用来创建、提交、监视和评价ABAQUS模拟所得到的结果。
Python语言是一种面向对象的程序设计语言，ABAQUS的脚本接口是Python语言的一个扩展，可以利用ABAQUS脚本接口绕过ABAQUS/CAEGUI,直接对ABAQ
升级会员 