[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

本發明屬于非線性有限元分析領域，涉及復合材料壁板螺栓連接的非線性分析方法。本申請建立“軟”接觸單元，精確模擬復合材料壁板螺栓連接中的接觸現象、確定連接剛度、接觸單元計入兩個物體接觸時相互間的材料滲透，并計算接觸載荷，同時考慮了接觸引起的能量耗散、開發幾何精確殼單元建立復合材料壁板的有限元模型，計入連接區開孔，能夠準確預測孔邊應力分布、采用計入翹曲變形的幾何精確梁單元建立螺栓的有限元模型。本申請解決現有技術中復合材料壁板螺栓連接建模的過度簡化、無法準確確定連接剛度、無法準確預測孔邊應力分布、“硬接觸”模型未考慮物體接觸時相互之間的材料滲透、也未對接觸載荷大小做任何限制、計算精度低、效率低的問題。

技術領域

本發明主要屬于非線性有限元分析，具體涉及復合材料壁板螺栓連接的非線性分析方法。

背景技術

目前，航空制造業廣泛采用復合材料用于民用飛機的設計與制造。復合材料是非金屬材料，并具有各向異性的特點。因此，廣泛應用于合金材料結構件連接的傳統鉚釘鉚接技術不適用于復材結構連接。復合材料結構件選擇各種螺栓，例如高鎖螺栓或沉頭螺栓，進行連接。這給民機結構件的連接設計帶來了新的挑戰。機翼和機身結構中常見的復合材料壁板連接設計，需要準確計算通過螺栓所傳遞的剪切載荷，進而準確計算復合材料壁板連接區應力分布，確定應力集中區域并進行強度校核。確保在極限載荷情況下，復合材料壁板連接結構安全不破壞。需要指出的是，螺栓連接的特殊性在于其通過連接件的相互擠壓和變形，即復合材料壁板與螺栓之間的接觸傳遞載荷，是一種強非線性問題。

現有技術方案中，廣泛應用的技術方案一將螺栓連接簡化為固定連接，忽略接觸。采用NASTAN中的一維釘單元或者ABAQUS中的一維CBUSH單元同時模擬螺栓彎曲剛度以及螺栓、復合材料壁板之間接觸剛度的綜合效應。總計6個剛度分量均由用戶自己定義。通常，使用實驗手段獲得的經驗公式確定上述剛度，最常用的公式為 Huth公式。但是該公式只能確定剪切剛度K₂、K₃，無法確定扭轉剛度。顯然，該技術方案對原始問題進行了過度簡化，適用范圍有限。該技術方案將螺栓連接簡化為固定連接，可以實現復合材料壁板連接的快速應力分析。由于忽略了復合材料壁板開孔，預測出的應力分布是不準確的，也無法確定孔邊應力狀態。即使快速完成了相關的應力校核工作，該結果也需要進行相當保守的修正后才能用于民機的結構設計。

現有技術方案二采用ABAQUS中的三維實體單元或二維殼單元建立復合材料壁板的精細模型，采用三維實體單元建立螺栓、螺帽的精細數值模型。嚴格定義螺栓與復合材料壁板之間的接觸面、復合材料壁板之間的接觸面、螺帽與復合材料壁板之間的接觸面，將其提取后定義成接觸對。每一個接觸對由接觸單元描述。ABAQUS中的接觸單元將接觸條件作為一類特殊的不連續約束來處理。當兩個表面接觸時應用接觸條件，并傳遞接觸載荷，對載荷大小未做任何限制。當接觸載荷變為零或負值時，接觸面分離，約束被撤銷。這種處理接觸的方式被稱為“硬”接觸，忽略了兩個物體接觸時相互之間的材料滲透 (Inner-penetration)。這種滲透是一種真實物理現象，將會緩沖接觸時的沖擊載荷。雖然這種方案能夠完成螺栓連接的應力分析，由于接觸單元的引入，使問題變得非常復雜，需要耗費大量的計算機資源。在目前的民機設計中，還無法實現大規模的接觸計算，廣泛應用的仍然是現有技術方案一。

發明內容

針對上述問題，本發明提供了復合材料壁板螺栓連接的非線性分析方法。

本發明的分析方法建立了Hertz接觸單元，用接觸單元模擬復合材料壁板螺栓連接中的接觸現象，解決技術方案一中復合材料壁板螺栓連接的過度簡化問題，解決技術方案二中復合材料壁板螺栓連接的過度復雜、計算效率低的問題。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種復合材料壁板螺栓連接的非線性分析方法，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；