[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

本發明提出了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。采用Fortran語言將非線性本構模型、失效準則及材料退化模型編寫成用戶子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元軟件中實現了基于漸進損傷分析的陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓幾何尺寸及連接結構的最大高溫失效載荷設計，并使用商業有限元軟件ABAQUS的接口語言Python語言進行二次開發，開發出界面窗口插件，生成GUI界面，為結構仿真參數化分析及批量化處理提供了快速高效的技術支撐。本發明可以大幅降低試驗成本，節約資源與能源，極大提高連接結構的結構效率，具有良好的實際應用潛力。

技術領域

本發明涉及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，屬于陶瓷基復合材料結構設計技術領域。

背景技術

碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料具有高強度、高硬度、耐高溫、抗燒蝕和低密度等一系列優異性能，已成為航空航天領域極具發展前景的新一代高溫熱結構。由于制造大尺寸且結構復雜的C/SiC復合材料結構十分困難且造價高昂，因此具有可重復拆卸、高載荷傳遞能力、高可靠性、高性價比等特點的螺栓連接結構，在航空航天飛行器尤其是高超聲速飛行器中得到廣泛應用。對具有氣動外形和隱身性能要求的超高聲速飛行器部件更傾向于選擇復合材料沉頭螺栓作為連接部件。顯然，沉頭螺栓連接相對于凸頭螺栓連接的結構更為復雜，周圍的應力分布也更加復雜，螺栓連接件的強度分析與設計對提高結構承載效率及維護結構完整性起著至關重要的作用，成為飛行器結構設計中的關鍵技術。從國內外研究現狀及文獻檢索情況來看，針對沉頭螺栓緊固件對連接結構力學性能的影響研究大多集中于纖維增強樹脂基復合材料機械連接結構，而關于陶瓷基復合材料機械連接結構沉頭螺栓的幾何尺寸設計方面的研究還很匱乏，通過有限元模擬對陶瓷基復合材料機械連接結構沉頭螺栓幾何尺寸進行設計對提高結構的承載效率、保障連接結構的服役安全性具有重要的工程實際意義。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明提供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，可以對陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓的幾何尺寸及連接結構的最大高溫失效載荷進行設計，可以大幅降低試驗成本，節約資源與能源，極大提高連接結構的結構效率，適用于指導實際生產中復合材料裝配應用過程。

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，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，；

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；