[發明專利]一種基于最大失效載荷的陶瓷基復合材料與高溫合金混合連接結構沉頭螺栓尺寸設計方法

在審

• 申請號: 202110685985.6
• 申請日: 2021-06-21
• 公開（公告）號: CN113408069A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 孫茜;趙淑媛;孫新陽;李明瑞
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司沈陽飛機設計研究所;哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/26;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

1.一種基于最大失效載荷的陶瓷基復合材料與高溫合金混合連接結構沉頭螺栓尺寸設計方法，其特征在于，所述設計方法包括以下步驟：

S100、給定陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件的幾何參數，并給定沉頭螺栓的豁口深度以及錐形段高度的設計范圍；

S200、保持沉頭螺釘豁口深度不變，給定沉頭螺釘錐形段高度設計范圍內的一定值；

S300、根據陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件的幾何參數、裝配參數和環境溫度，采用ABAQUS軟件建立陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件高溫單軸拉伸加載條件下三維有限元分析模型；

S400、選定陶瓷基復合材料非線性本構模型、失效準則及退化模型，建立C/SiC復合材料結構的漸進損傷分析模型，并進行應力分析，當在第k增量步時，開始調取單元積分點的應力σ^k；

S500、將陶瓷基復合材料單元積分點的應力代入失效準則進行判斷，如果滿足失效準則，則材料單元點發生失效，此時，根據退化模型進行材料剛度退化；如果沒有滿足失效準則，則材料無損傷，此時，材料剛度不變C^k+1＝C^k，更新應力σ^k+1＝σ^k+C^k+1·Δε^k，其中，C代表材料的剛度矩陣，σ表示應力，Δε表示應變增量，上角標k代表迭代增量步；

S600、判斷復合材料結構中的損傷是否導致結構發生破壞；如果結構沒有發生破壞，則增大力學載荷增量，返回S300；如果結構發生破壞，則結構失去承載能力，停止分析；

S700、獲得單一工況下給定結構幾何參數下C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件的高溫失效載荷及損傷失效模式；

S800、選取沉頭螺釘所需某一設計變量的其他值，重復S200至S700，獲得隨所設計變量變化的C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件的高溫失效載荷；

S900、選取高溫失效載荷最大的設計變量值，完成C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件沉頭螺釘單變量幾何設計；

S1000、給定高溫失效載荷最大的沉頭螺釘豁口深度，選取沉頭螺釘錐形段高度設計范圍內的一定值；

S1100、重復S300到S900，完成C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構件沉頭螺釘幾何設計，并獲得連接結構最大的高溫失效載荷。

2.根據權利要求1所述的一種基于最大失效載荷的陶瓷基復合材料與高溫合金混合連接結構沉頭螺栓尺寸設計方法，其特征在于，在S300中，采用ABAQUS軟件建立陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件高溫單軸拉伸加載條件下三維有限元分析模型，其建立三維有限元分析模型的步驟為：

S310、根據陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件的幾何參數，采用ABAQUS軟件建立陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓緊固件三維幾何模型；

S320、采用八結點線性縮減積分六面體單元C3D8R并設置增強的沙漏控制對結構進行結構化網格劃分；

S330、根據高溫合金板、復合材料板、螺栓之間的接觸關系，在ABAQUS中定義5組接觸對，分別為螺釘上豁口與復材板上豁口接觸，螺釘中徑表面與復材板中徑表面接觸，螺釘中徑表面與高溫合金板中經表面接觸，復材板下表面與合金板上表面接觸，螺母上表面與合金板下表面接觸，在相互作用屬性中對各接觸面添加摩擦力；

S340、使用ABAQUS中的Boltload命令在螺栓桿的橫截面上直接施加軸向預緊力，通過設置釘孔之間接觸對的裝配值施加釘孔間隙量，并確保高溫時預緊力不會降低到0N以下，整個連接結構施加均勻的高溫溫度載荷；

S350、對高溫合金板的端部所有方向施加固支約束，對陶瓷基復合材料板端部的X方向施加力學載荷，并約束另兩個方向的位移。