一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法

摘要

一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，有七大步骤，(1)用有限元分析软件对原结构件的受力进行静力分析，得到结构件的受力变形云图；(2)从结构件的变形云图中找到最大变形区的位置；(3)选择布置圆环形、圆弧形规则纬线和规则经线；其最大半径等于或大于最大变形集中区的半径；(4)规则经线的布置沿着圆环形、圆弧形规则纬线的中心向此周扩散；其密度依据最大变形集中区与最大变形区变形的数量级而定；(5)在最大变形集中区外，沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则经线；(6)最后在结构件受力变形较小的部分去除部分材料形成空心的结构，以减轻整个结构件的质量；(7)按照以上步骤对原结构件进行反复改进设计，直到满足要求。

主权项

一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，其特征在于：仿生蜘蛛网复合材料结构有两种结构形式，即圆环形蜘蛛网复合材料仿生结构和圆弧形蜘蛛网复合材料仿生结构，它们分别由心环(1)，圆环形规则纬线(2)，规则经线(3)，不规则经线(4)，空心(5)和圆弧形规则纬线(6)组成；该方法具体步骤如下：步骤一：首先用有限元分析软件Ansys、Abaqus对原结构件的受力进行静力分析，得到结构件的受力变形云图，从变形云图中观察到结构变形的梯度变化；步骤二：从结构件的变形云图中找到最大变形区的位置；最大变形区是一小块面积，将心环(1)的中心选择在最大变形处面积的中心位置，心环(1)结构的半径取决于最大变形区的大小并将最大变形区覆盖，心环(1)结构采用大弹性模量的材料；步骤三：最大变形区周围梯度曲线密集，变形量大小的变化缓慢，变形量也明显比结构件的其它部分大，是最大变形集中区，此处选择布置圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)和规则经线(3)；圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)的间隔在离最大变形区越近越小，离变形区越远越大；圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)的最大半径等于或大于最大变形集中区的半径；在靠近最大变形区的圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)选择弹性模量较大的材料，即与心环(1)材料相同；在离最大变形区远的圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)可以选择与原结构件相同的材料；步骤四：规则经线(3)的布置就是沿着圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)纬线的中心向此周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向；规则经线(3)的分布密度依据最大变形集中区与最大变形区变形的数量级而定，数量级差别比较大，布置的密度就可以加大些，选择布置10～16条，规则经线(3)的材料可以选择与原结构件相同的材料；步骤五：在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，但是比以上两区域的变形要小的多；这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置一些不规则经线(4)；不规则经线(4)的材料选用与原结构件相同的材料；步骤六：最后是在结构件受力变形较小的部分去除部分材料形成空心(5)的结构，以减轻整个结构件的质量；空心(5)部分的去除要结合结构件的模态分析进行，判断的标准是空心(5)结构的去除对结构件动刚度的影响是否符合设计者的初始要求；步骤七：按照以上设计步骤对原结构件进行反复改进设计，直到修改的结果满足设计者的要求。