專(zhuān)利名稱(chēng)：分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載和應(yīng)力分布及應(yīng)力水平的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載和應(yīng)力分布及應(yīng)力水平的方法，可用于航空航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于具有比強(qiáng)度大、比剛度高、抗腐蝕性能好以及優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，近些年來(lái)在航空和航天領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要材料之一。復(fù)合材料用量通常用其所占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的百分比表示，并已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)水平的重要指標(biāo)之一。復(fù)合材料主要承力結(jié)構(gòu)都采用大量螺栓進(jìn)行連接，該類(lèi)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的主要連接構(gòu)造和載荷傳遞途徑。因此，復(fù)合材料機(jī)械連接接頭成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，其連接力學(xué)性能、強(qiáng)度和壽命情況值得關(guān)注。復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度的各向異性和缺乏延性，在多釘機(jī)械連接中連接板上各孔的載荷重新分配能力差，各個(gè)連接孔上的承載比例相差很大。因此，復(fù)合材料層合板多釘機(jī)械連接釘載分配問(wèn)題在工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用中一直受到高度重視，目前有兩大類(lèi)方法可供應(yīng)用試驗(yàn)方法和有限元數(shù)值分析方法。試驗(yàn)方法耗資大，試件加工要求嚴(yán)格，難以對(duì)影響釘載分配和強(qiáng)度的眾多因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，而且試驗(yàn)結(jié)果帶有一定的分散性；有限元數(shù)值分析方法耗資小，并可考慮不同參數(shù)的影響。確定多釘連接結(jié)構(gòu)中各個(gè)釘?shù)某休d比例、應(yīng)力分布及應(yīng)力水平是計(jì)算多釘連接強(qiáng)度的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料機(jī)械連接問(wèn)題廣泛采用的有限元方法包括以下兩種一種是建立二維板殼模型的方法；另一種是建立三維實(shí)體模型的方法。單純的二維板殼模型方法是一種簡(jiǎn)化的模擬方法，計(jì)算周期短、能夠得到滿(mǎn)足工程精度的釘載分配結(jié)果；但得到的層合板中各個(gè)鋪層的應(yīng)力分布不能考慮實(shí)際情況中的螺栓預(yù)緊力、釘孔裝配間隙、摩擦等因素的影響，且不能獲得層間應(yīng)力。建立三維實(shí)體模型的方法能夠考慮上述實(shí)際情況中的多種影響因素，但其缺點(diǎn)是建模過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算周期過(guò)長(zhǎng)，不具有通用性，接觸問(wèn)題非線(xiàn)性迭代計(jì)算的收斂性問(wèn)題常常成為難點(diǎn)，不適于工程實(shí)際運(yùn)用。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載和應(yīng)力分布及應(yīng)力水平的方法，發(fā)揮有限元模型中二維建模方法與三維建模方法的優(yōu)點(diǎn)，為工程上計(jì)算多釘連接釘載分配、及應(yīng)力分析提供快速而準(zhǔn)確的計(jì)算方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)多釘連接結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)成本。技術(shù)方案一種分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載的方法，其特征在于步驟如下步驟I :根據(jù)各個(gè)被連接板的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度，在各自的中面位置處建立對(duì)應(yīng)的幾何面，在釘位置處建立幾何線(xiàn)段；
步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個(gè)釘為中心，排距為邊長(zhǎng)的正方形區(qū)域；步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網(wǎng)格；將幾何線(xiàn)段賦予梁元屬性，并劃分成線(xiàn)網(wǎng)格，且梁元的兩個(gè)端點(diǎn)在被連接板的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，正方形邊上將存在節(jié)點(diǎn)；完成網(wǎng)格劃分，得到二維有限元板殼模型；
步驟4:在二維模型中，將連接件的固支端進(jìn)行固支約束，加載端施加所需的載荷，載荷在不同被連接板之間通過(guò)梁元來(lái)傳遞；步驟5 :通過(guò)有限元軟件求解計(jì)算模型，當(dāng)計(jì)算完成后，在得到的計(jì)算結(jié)果中提取出梁元的節(jié)點(diǎn)力，該節(jié)點(diǎn)力大小為釘載。一種分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載的周?chē)鷳?yīng)力分布及應(yīng)力水平的方法，其特征在于步驟如下步驟I :根據(jù)各個(gè)被連接板的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度，在各自的中面位置處建立對(duì)應(yīng)的幾何面，在釘位置處建立幾何線(xiàn)段；步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個(gè)釘為中心，排距為邊長(zhǎng)的正方形區(qū)域；步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網(wǎng)格；將幾何線(xiàn)段賦予梁元屬性，并劃分成線(xiàn)網(wǎng)格，且梁元的兩個(gè)端點(diǎn)在被連接板的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，正方形邊上將存在節(jié)點(diǎn)；完成網(wǎng)格劃分，得到二維有限元板殼模型；步驟4 :在二維模型中，在任意一個(gè)釘為目標(biāo)釘?shù)谋贿B接板上的正方形區(qū)域上，分別提取并保存正方形區(qū)域四周的旁路載荷，所述旁路載荷包括力和彎矩；步驟5 :根據(jù)步驟2中正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)和各個(gè)被連接板的真實(shí)厚度，建立被連接板的三維幾何模型；選擇其中的任意一塊被連接板，將它在軸線(xiàn)方向的一端延長(zhǎng)至模型長(zhǎng)度的10%，為彈性假體；步驟6 :根據(jù)釘和墊圈的尺寸建立緊固件的三維幾何模型，將釘與墊圈當(dāng)成整體建模，并以圓柱體表示螺紋形狀；步驟7 :將步驟5和步驟6得到的三維幾何模型賦予實(shí)體單元屬性，掃略生成六面體網(wǎng)格；在釘與釘孔之間、墊圈與被連接板之間、不同的被連接板之間建立接觸對(duì)，完成三維實(shí)體模型的建立；步驟8 :以步驟5中的彈性假體的一端作固支約束；步驟9 :以步驟4中取出的旁路載荷作為三維實(shí)體模型對(duì)應(yīng)面上的力邊界條件，且彈性假體的側(cè)邊不加載；力按照均布力的方式加載，彎矩按照彎曲正應(yīng)力公式折算成應(yīng)力在面上梯度加載，并在釘上通過(guò)預(yù)緊力單元施加螺栓預(yù)緊力；步驟10 :利用有限元軟件求解計(jì)算該三維模型，得到目標(biāo)釘周?chē)鷳?yīng)力分布及應(yīng)力水平。依次將所有釘作為目標(biāo)釘，并反復(fù)重復(fù)步驟4 步驟10得到所有釘周?chē)膽?yīng)力分布及應(yīng)力水平。有益效果本發(fā)明提出的一種分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載和應(yīng)力分布及應(yīng)力水平的方法，建立二維殼梁模型計(jì)算連接件釘載分配，并從二維模型中取出一個(gè)目標(biāo)釘附近矩形區(qū)域的旁路載荷；在二維殼梁模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)矩形區(qū)域的大小及螺栓尺寸等幾何信息，新建僅包含目標(biāo)釘?shù)娜S實(shí)體模型，將二維模型取出的旁路載荷作為三維模型的力邊界條件，并可施加螺栓預(yù)緊力，計(jì)算該三維模型即可得到該區(qū)域應(yīng)力分布及應(yīng)力水平。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果充分發(fā)揮二維與三維有限元模型的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用性強(qiáng)，計(jì)算時(shí)間短，并能保證計(jì)算精度，提高了計(jì)算效率。本發(fā)明方法中，有限元分析從二維模型到三維模型結(jié)合的方法來(lái)分析問(wèn)題的思想較新穎，對(duì)其他大型復(fù)雜模型都可以使用。本發(fā)明方法對(duì)復(fù)合材料板與復(fù)合材料板連接，金屬板與金屬板連接，復(fù)合材料板與金屬板混合連接均適用，通用性強(qiáng)。


圖1 :本發(fā)明技術(shù)方案流程圖；圖2 :—列三釘單搭接連接件的二維板殼模型；I-復(fù)合材料板，2-金屬板，I-第一個(gè)釘，II-第二個(gè)釘，III-第三一個(gè)釘；圖3 :二維板殼模型中殼單元與梁元共用節(jié)點(diǎn)的示意圖；圖4 :三維實(shí)體模型網(wǎng)格形式及其約束方式示意圖；圖5 :三維實(shí)體模型中不同類(lèi)型板旁路載荷的加載內(nèi)容及方式示意圖；a :固支板加載內(nèi)容及方式；b :非固支板加載內(nèi)容及方式。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述本發(fā)明的計(jì)算流程如圖I所示，為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，將以上算法應(yīng)用于常見(jiàn)的復(fù)合材料板與金屬板機(jī)械連接分析，分析內(nèi)容為釘載分配計(jì)算，及最大釘載孔周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)分析。連接件是一列三釘?shù)膯未罱影?，如圖2所示，以下步驟基于有限元軟件 ANSYS 步驟I根據(jù)不同的被連接板的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度，在各自的中面位置處建立幾何面，將工作平面的原點(diǎn)移動(dòng)到釘所在位置，轉(zhuǎn)動(dòng)工作平面，分別沿X方向和Y方向在兩個(gè)幾何面上切割出關(guān)鍵點(diǎn)。把不同板上同一個(gè)釘?shù)年P(guān)鍵點(diǎn)用線(xiàn)段連接起來(lái)，記錄保存關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)。復(fù)合材料板是圖2a中的板I，金屬板是圖2a中的板2 ；步驟2以釘為正方形中心，排距為邊長(zhǎng)，用工作平面在各釘周?chē)鷦澐终叫螀^(qū)域；如圖2b所示；步驟3定義材料屬性，并對(duì)復(fù)合材料板賦予SHELL99殼單元屬性，金屬板賦予SHELL63殼單元屬性，將幾何面劃分生成四邊形網(wǎng)格。線(xiàn)段賦予BEAM188梁元屬性，并劃分生成一個(gè)線(xiàn)網(wǎng)格。梁元的兩個(gè)端點(diǎn)在被連接板的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，即梁元與殼單元是共用節(jié)點(diǎn)的(如圖3所示)； 步驟4對(duì)連接件施加圖2a中的邊界條件；步驟5在被連接板的加載端施加所需載荷,在Solution模塊中計(jì)算該二維板殼模型；步驟6計(jì)算完成后，保存該模型為2D. db格式的數(shù)據(jù)文件。在后處理模塊分別取出各個(gè)公共節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力大小，該值就是釘載；步驟7將釘載分配比例最大的I釘作為目標(biāo)釘。在二維板殼模型中，選取出每塊被連接板上目標(biāo)釘附近的正方形區(qū)域，即選取出圖2b中的陰影區(qū)域；
步驟8提取正方形區(qū)域四周的旁路載荷。先選中陰影區(qū)域內(nèi)的單元，再選擇正方形邊上的節(jié)點(diǎn)，在命令框內(nèi)輸入FSUM命令，可以得到選中單元對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的作用力；用該命令分別提取出每個(gè)正方形四條邊上的作用力。垂直于X軸的正方形邊提取的旁路載荷包括Nx，Qy, Qz, My, Mz ;平行于X軸的正方形邊提取的旁路載荷包括Ny，Qx, Qz, Mx, Mz ;將提取出的旁路載荷存入數(shù)據(jù)文件之中；步驟9新建作業(yè)，并根據(jù)二維板殼模型中正方形的尺寸、不同被連接板各自的厚度建立被連接板的幾何體。根據(jù)釘和墊圈的實(shí)際尺寸，建立緊固件的幾何體，并忽略螺紋形狀，將釘與墊圈當(dāng)做整體。選擇金屬板方塊，將其沿X方向的一端延長(zhǎng)模型長(zhǎng)度的10%作為彈性假體；彈性假體的目的是消除固支這個(gè)強(qiáng)約束對(duì)應(yīng)力分布造成的不利影響；步驟10對(duì)上述三維幾何模型賦予S0LID185實(shí)體單元屬性，并掃略生成六面體網(wǎng)格。在釘與釘孔之間、墊圈與被連接板之間、不同的被連接板之間分別定義接觸對(duì)，生成的三維實(shí)體模型，模型網(wǎng)格如圖4所示；步驟11將步驟8中取出的旁路載荷作為應(yīng)力邊界條件分別加到三維實(shí)體模型對(duì)應(yīng)的面上。其中，力按均布加載的方式垂直于面的力(Nx或Ny)直接加于單元面上，剪力用表面效應(yīng)單元SURF154加載；彎矩按彎曲正應(yīng)力公式折算成正應(yīng)力，以梯度的形式加到對(duì)應(yīng)面上；預(yù)緊力使用ANSYS內(nèi)部提供的預(yù)緊力單元施加。三維實(shí)體模型中彈性假體部分的側(cè)邊不包含應(yīng)力邊界條件，如在圖5a中，僅在陰影部分施加應(yīng)力邊界條件；步驟12在Solution模塊中計(jì)算該三維實(shí)體模型，當(dāng)計(jì)算完成后，可以在后處理模塊中提取出各個(gè)鋪層在各自單元坐標(biāo)系下的結(jié)果，并繪制應(yīng)力云圖，亦可查看整體變形圖。步驟13若要改變目標(biāo)釘重新分析，則需恢復(fù)步驟6中保存的2D. db文件，再將步驟7到步驟12重復(fù)一遍即可。
權(quán)利要求
1.一種分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載的方法,其特征在于步驟如下 步驟I:根據(jù)各個(gè)被連接板的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度，在各自的中面位置處建立對(duì)應(yīng)的幾何面，在釘位置處建立幾何線(xiàn)段； 步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個(gè)釘為中心，排距為邊長(zhǎng)的正方形區(qū)域； 步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網(wǎng)格；將幾何線(xiàn)段賦予梁元屬性，并劃分成線(xiàn)網(wǎng)格，且梁元的兩個(gè)端點(diǎn)在被連接板的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，正方形邊上將存在節(jié)點(diǎn)；完成網(wǎng)格劃分，得到二維有限元板殼模型； 步驟4:在二維模型中，將連接件的固支端進(jìn)行固支約束，加載端施加所需的載荷，載荷在不同被連接板之間通過(guò)梁元來(lái)傳遞； 步驟5 :通過(guò)有限元軟件求解計(jì)算模型，當(dāng)計(jì)算完成后，在得到的計(jì)算結(jié)果中提取出梁元的節(jié)點(diǎn)力，該節(jié)點(diǎn)力大小為釘載。
2.一種利用權(quán)利要求I所述方法分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載的周?chē)鷳?yīng)力分布及應(yīng)力水平的方法，其特征在于步驟如下 步驟I :根據(jù)各個(gè)被連接板的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度，在各自的中面位置處建立對(duì)應(yīng)的幾何面，在釘位置處建立幾何線(xiàn)段； 步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個(gè)釘為中心，排距為邊長(zhǎng)的正方形區(qū)域； 步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網(wǎng)格；將幾何線(xiàn)段賦予梁元屬性，并劃分成線(xiàn)網(wǎng)格，且梁元的兩個(gè)端點(diǎn)在被連接板的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，正方形邊上將存在節(jié)點(diǎn)；完成網(wǎng)格劃分，得到二維有限元板殼模型； 步驟4 :在二維模型中，在任意一個(gè)釘為目標(biāo)釘?shù)谋贿B接板上的正方形區(qū)域上，分別提取并保存正方形區(qū)域四周的旁路載荷，所述旁路載荷包括力和彎矩； 步驟5 :根據(jù)步驟2中正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)和各個(gè)被連接板的真實(shí)厚度，建立被連接板的三維幾何模型；選擇其中的任意一塊被連接板，將它在軸線(xiàn)方向的一端延長(zhǎng)至模型長(zhǎng)度的10%，為彈性假體； 步驟6:根據(jù)釘和墊圈的尺寸建立緊固件的三維幾何模型，將釘與墊圈當(dāng)成整體建模，并以圓柱體表示螺紋形狀； 步驟7 :將步驟5和步驟6得到的三維幾何模型賦予實(shí)體單元屬性，掃略生成六面體網(wǎng)格；在釘與釘孔之間、墊圈與被連接板之間、不同的被連接板之間建立接觸對(duì)，完成三維實(shí)體模型的建立； 步驟8 :以步驟5中的彈性假體的一端作固支約束； 步驟9 :以步驟4中取出的旁路載荷作為三維實(shí)體模型對(duì)應(yīng)面上的力邊界條件，且彈性假體的側(cè)邊不加載；力按照均布力的方式加載，彎矩按照彎曲正應(yīng)力公式折算成應(yīng)力在面上梯度加載，并在釘上通過(guò)預(yù)緊力單元施加螺栓預(yù)緊力； 步驟10 :利用有限元軟件求解計(jì)算該三維模型，得到目標(biāo)釘周?chē)鷳?yīng)力分布及應(yīng)力水平。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在步驟4中改變目標(biāo)釘，依次將所有釘作為目標(biāo)釘，并反復(fù)重復(fù)步驟4 步驟10得到所有釘周?chē)膽?yīng)力分布及應(yīng)力水平。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分析復(fù)合材料機(jī)械連接釘載和應(yīng)力分布及應(yīng)力水平的方法，技術(shù)特征在于建立二維殼梁模型計(jì)算連接件釘載分配，并從二維模型中取出一個(gè)目標(biāo)釘附近矩形區(qū)域的旁路載荷；在二維殼梁模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)矩形區(qū)域的大小及螺栓尺寸等幾何信息，新建僅包含目標(biāo)釘?shù)娜S實(shí)體模型，將二維模型取出的旁路載荷作為三維模型的力邊界條件，并可施加螺栓預(yù)緊力，計(jì)算該三維模型即可得到該區(qū)域應(yīng)力分布及應(yīng)力水平。本方法發(fā)明充分發(fā)揮有限元模型中二維建模方法與三維建模方法的優(yōu)點(diǎn)，為工程上計(jì)算多釘連接釘載分配、及應(yīng)力分析提供快速而準(zhǔn)確的計(jì)算方法，降低設(shè)計(jì)成本。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102622472SQ20121004602
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者劉興科, 劉向東, 姚振華, 李亞智, 李彪, 李璽, 束一秀, 王啟, 王海, 舒懷, 謝強(qiáng) 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)