[發明專利]復合材料壁板螺栓連接的非線性分析方法

有效

• 申請號: 201710786686.5
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107729603B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 王介龍;張發
• 申請（專利權）人: 中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心;中國商用飛機有限責任公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/24;G06F119/14
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

1.一種復合材料壁板螺栓連接的非線性分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

(1)分別對復合材料壁板和螺栓建立幾何精確殼單元和梁單元模型；

(2)建立Hertz接觸單元，所述Hertz接觸單元模擬復合材料壁板殼單元和螺栓梁單元之間的接觸；根據復合材料壁板殼單元和螺栓梁單元接觸時的材料相互滲透量計算接觸載荷，以接觸載荷分別作為復合材料壁板殼單元和螺栓梁單元的受力載荷，分析復合材料壁板殼單元的變形，實現對復合材料壁板螺栓連接結構的非線性分析，

其中，所述幾何精確殼單元和梁單元，是幾何非線性結構有限元單元；所述幾何精確殼單元和梁單元采用增量表達式理論處理了任意大變形和有限轉動問題,定義了三種不同構型描述其在時間域內的非線性變形，分別為參考構型、初始構型和變形構型；其中，參考構型、初始構型為已知構型、變形構型為未知構型；數值計算時僅僅預測從初始構型到變形構型的變形增量和旋轉增量；依據建模步驟完成當前時間步的計算后，當前的變形構型將作為下一時間步驟計算的初始值，在時間域內重復建模直至時間域內的計算全部完成為止，

其中，構建復合材料壁板殼單元具體為幾何精確殼單元，能夠處理任意大變形和任意轉動；

所述幾何精確殼單元具有靜力學、模態分解和動力學分析功能；

所述幾何精確殼單元依據彈性力學理論中Green-Lagrange應變張量的定義，通過高階項的近似處理，獲得適合于任意大位移、有限轉動和大變形情況的應變-位移關系；同時，所述幾何精確殼單元假設變形過程中，與殼中面垂直的材料線變形后仍然保持直線，不發生拉伸變形；

所述幾何精確殼單元由殼的運動控制方程結合有限元理論得出；

其中殼的運動控制方程為

式中f和m代表殼中面單位面積上作用的外部力和力矩，h和g代表動量矩，和代表動量矩對時間的一階導數，N_i,i,N₃和M_i,i，i＝1，2，為彈性力和彈性力矩，b為轉換矩陣，為單位矢量的旋轉對稱矩陣，RR₀為旋轉張量。

2.如權利要求1所述分析方法，其特征在于，

所述步驟(2)具體為：

21)所述Hertz接觸單元將復合材料壁板和螺栓的接觸簡化為殼單元與梁單元之間局部的二維平面接觸；

在所述二維平面，螺栓的截面為梁單元包括梁節點的剛性截面圓，所述復合材料壁板的可能接觸面為多個殼單元邊節點構成的彈性圓；根據Hertz接觸理論，將復合材料壁板和螺栓的接觸認為是彈性接觸，并隨時間變化；接觸初始時刻，假設螺栓與復合材料壁板孔邊接觸但無滲透，所以無接觸力；此時，描述復合材料壁板孔邊形狀的所有殼單元邊節點均為可能接觸點；

22)根據復合材料壁板螺栓連接件變形過程中各可能接觸點相對所述螺栓剛性圓截面中心的位移來判斷接觸是否發生；如果接觸發生則計算復合材料壁板和螺栓之間的材料相互滲透距離；

23)基于Hertz公式，利用材料相互滲透距離計算得到接觸面之間的接觸力、接觸法向量、接觸剛度和分別作用到殼單元和梁單元相關節點上的接觸載荷；

24)以接觸載荷分別作為殼單元和梁單元的受力載荷，根據有限元原理將殼單元或梁單元載荷、單元剛度以及整個復合材料壁板螺栓連接件所受外載荷分別集成，得到包含接觸載荷和接觸剛度在內的總體剛度矩陣和總體載荷矢量，形成復合材料壁板螺栓連接的變形控制方程；

25)通過求解所述變形控制方程，計算獲得復合材料壁板螺栓連接的變形，進一步可獲得由螺栓傳遞的剪切載荷以及當前計算步驟所有可能接觸點相對螺栓剛性截面中心的位移矢量；

26)完成當前步驟后，計算得到的復合材料壁板螺栓連接的變形構型將作為下一時間步驟計算的初始值，在時間域內重復步驟23)-25)直至時間域內的計算全部完成為止。