[發明專利]一種改進的復合材料多釘連接釘載分配分析的有限元方法

在審

• 申請號: 201910052335.0
• 申請日: 2019-01-21
• 公開（公告）號: CN109902341A
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 劉豐睿;姚婉婷;趙麗濱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;賈玉忠

本發明涉及一種改進的復合材料多釘連接釘載分配分析的有限元方法，包括：(1)建立復合材料連接板的殼單元模型，連接板的螺栓位置開孔；(2)用ABAQUS中的Fastener連接方式模擬螺栓，Fastener的剪切性能用剛度法中的螺栓剛度模型模擬；(3)Fastener方式中的連接點和復合材料連接板完全耦合且影響區域大小設為螺栓墊片面積；(4)施加載荷和邊界條件，然后求解。本發明可以更真實的模擬連接板的實際剛度；大大減少了時間和試驗成本；提高了模型對于復合材料螺栓連接結構的次彎曲效應的模擬精度。

技術領域

本發明涉及復合材料機械連接釘載分配的技術領域，具體涉及一種改進的復合材料多釘連接釘載分配分析的有限元方法，適用于航空航天飛行器中廣泛使用的復合材料多釘連接結構。

背景技術

復合材料是大型客機上重要的材料，多釘連接是復合材料重要的連接形式，也是復合材料結構的強度薄弱環節。通常，超大數量螺栓的連接結構的失效分析分成兩步，釘載分配分析確定承載嚴重的孔，和對承載嚴重的孔的失效分析代替對所有孔的失效分析。這樣，通過對較少釘孔進行失效分析，即可獲得超大數量螺栓的連接結構的失效情況。因此，開發大型結構的高效的釘載分配分析方法非常重要。

目前常用的復合材料機械連接釘載分配確定方法主要有解析法、剛度法和有限元法。復合材料螺栓連接結構釘載分配確定的解析方法是基于Lekhnitskii等的復合材料孔板孔邊應力分析發展起來的。由于釘載分配確定比孔邊應力確定復雜得多，偏微分方程的求解需要采用邊界配置法進行求解。但是由于當自由度增加時，邊界配置法計算量增加迅速，許希武等利用保角映射及Faber級數避免了上述問題。盡管解析法具有計算簡單、程序容易實現的特點，但是，解析方法對結構簡化較大不適合工程實際結構的分析。

剛度法是一種基于彈性力學的釘載分配的簡化計算方法。它將連接板和螺栓均簡化為沿載荷方向具有一定剛度的元件，利用外載荷作用下不同元件的變形協調關系來求解每個元件的載荷，從而得到釘載分配。剛度法的核心是螺栓剛度模型，簡單的折線形式的模型可以很好地模擬螺栓和孔復雜接觸時的力學行為，剛度模型已經從Tate and Rosenfeld的斜線，發展到Hart-smith的考慮損傷，McCarthy et al.的考慮間隙和擰緊力矩，到Liuet al.的考慮間隙對擠壓弦剛度影響。

有限元方法進行釘載分配分析的模型有多種，Liu et al.等的模型中連接板和螺栓用3D單元模擬，在螺栓和連接板孔間定義接觸單元可以詳細地模擬釘載分配情況。然而3D單元模型計算量大難以承受，所以發展了很多簡化模型。et al.的模型中復合材料連接板用3D單元模擬，金屬連接板用2D單元模擬，螺栓用1D單元模擬。Gray和McCarthy的模型中螺栓和連接板均用2D單元模擬，連接板與螺栓間定義接觸。Irisarri et al.，Gray and Mccarthy的模型中連接板用2D單元模擬，螺栓用1D單元模擬，Ekh和螺栓和板都是1D單元的等等。除連接板用1D單元模擬的模型，其他的都能模擬大型結構的釘載分配，而且板2D螺栓1D混合的有限元模型計算量最小。Irisarri et al.的模型中，模擬螺栓的1D梁單元的剛度用一個經驗公式計算，但是，無法考慮間隙擰緊力矩對螺栓剛度的影響，不能模擬復雜的接觸狀態。Gray和McCarthy提出，用螺栓連接載荷位移曲線模擬螺栓的1D梁單元的剛度，可以模擬螺栓與孔的復雜接觸下的剛度行為；螺栓與孔的節點采用有限元軟件進行線性的耦合約束，減小了建模工作量和計算量，這種2D殼單元結合自定義梁單元模型是目前大型結構釘載分配分析的最高效的解法。但在Gray和McCarthy提出的這種有限元模型中，還存在以下問題：用載荷位移曲線模擬螺栓剪切剛度，每個不同間隙、擰緊力矩等的螺栓均需要單獨測試載荷位移曲線；連接板模型不帶孔這時的連接板的與孔板變形的實際情況不符；螺栓與連接板的接觸區域用方形區域與公認是圓形區域不符，會影響次彎曲模擬精度。

發明內容