專利名稱：分析復合材料機械連接釘載和應力分布及應力水平的方法
技術領域：
本發明涉及一種分析復合材料機械連接釘載和應力分布及應力水平的方法，可用于航空航天飛行器結構設計，機械設計與制造領域。
背景技術：
復合材料結構由于具有比強度大、比剛度高、抗腐蝕性能好以及優異的可設計性，近些年來在航空和航天領域得到越來越廣泛的應用，已成為飛機結構的重要材料之一。復合材料用量通常用其所占飛機機體結構重量的百分比表示，并已成為飛機結構設計先進水平的重要指標之一。復合材料主要承力結構都采用大量螺栓進行連接，該類機械連接結構是飛機結構中的主要連接構造和載荷傳遞途徑。因此，復合材料機械連接接頭成為飛機結構的關鍵部位，其連接力學性能、強度和壽命情況值得關注。復合材料強度、剛度的各向異性和缺乏延性，在多釘機械連接中連接板上各孔的載荷重新分配能力差，各個連接孔上的承載比例相差很大。因此，復合材料層合板多釘機械連接釘載分配問題在工程設計與應用中一直受到高度重視，目前有兩大類方法可供應用試驗方法和有限元數值分析方法。試驗方法耗資大，試件加工要求嚴格，難以對影響釘載分配和強度的眾多因素進行系統的研究，而且試驗結果帶有一定的分散性；有限元數值分析方法耗資小，并可考慮不同參數的影響。確定多釘連接結構中各個釘的承載比例、應力分布及應力水平是計算多釘連接強度的基礎。國內外關于復合材料機械連接問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體模型的方法。單純的二維板殼模型方法是一種簡化的模擬方法，計算周期短、能夠得到滿足工程精度的釘載分配結果；但得到的層合板中各個鋪層的應力分布不能考慮實際情況中的螺栓預緊力、釘孔裝配間隙、摩擦等因素的影響，且不能獲得層間應力。建立三維實體模型的方法能夠考慮上述實際情況中的多種影響因素，但其缺點是建模過程復雜，計算周期過長，不具有通用性，接觸問題非線性迭代計算的收斂性問題常常成為難點，不適于工程實際運用。
發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種分析復合材料機械連接釘載和應力分布及應力水平的方法，發揮有限元模型中二維建模方法與三維建模方法的優點，為工程上計算多釘連接釘載分配、及應力分析提供快速而準確的計算方法，優化設計多釘連接結構，降低設計成本。技術方案一種分析復合材料機械連接釘載的方法，其特征在于步驟如下步驟I :根據各個被連接板的實際長度和寬度，在各自的中面位置處建立對應的幾何面，在釘位置處建立幾何線段；
步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個釘為中心，排距為邊長的正方形區域；步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網格；將幾何線段賦予梁元屬性，并劃分成線網格，且梁元的兩個端點在被連接板的網格節點上，正方形邊上將存在節點；完成網格劃分，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梁元來傳遞；步驟5 :通過有限元軟件求解計算模型，當計算完成后，在得到的計算結果中提取出梁元的節點力，該節點力大小為釘載。一種分析復合材料機械連接釘載的周圍應力分布及應力水平的方法，其特征在于步驟如下步驟I :根據各個被連接板的實際長度和寬度，在各自的中面位置處建立對應的幾何面，在釘位置處建立幾何線段；步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個釘為中心，排距為邊長的正方形區域；步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網格；將幾何線段賦予梁元屬性，并劃分成線網格，且梁元的兩個端點在被連接板的網格節點上，正方形邊上將存在節點；完成網格劃分，得到二維有限元板殼模型；步驟4 :在二維模型中，在任意一個釘為目標釘的被連接板上的正方形區域上，分別提取并保存正方形區域四周的旁路載荷，所述旁路載荷包括力和彎矩；步驟5 :根據步驟2中正方形區域的邊長和各個被連接板的真實厚度，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，將它在軸線方向的一端延長至模型長度的10%，為彈性假體；步驟6 :根據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體單元屬性，掃略生成六面體網格；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，完成三維實體模型的建立；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體模型對應面上的力邊界條件，且彈性假體的側邊不加載；力按照均布力的方式加載，彎矩按照彎曲正應力公式折算成應力在面上梯度加載，并在釘上通過預緊力單元施加螺栓預緊力；步驟10 :利用有限元軟件求解計算該三維模型，得到目標釘周圍應力分布及應力水平。依次將所有釘作為目標釘，并反復重復步驟4 步驟10得到所有釘周圍的應力分布及應力水平。有益效果本發明提出的一種分析復合材料機械連接釘載和應力分布及應力水平的方法，建立二維殼梁模型計算連接件釘載分配，并從二維模型中取出一個目標釘附近矩形區域的旁路載荷；在二維殼梁模型的基礎上，根據矩形區域的大小及螺栓尺寸等幾何信息，新建僅包含目標釘的三維實體模型，將二維模型取出的旁路載荷作為三維模型的力邊界條件，并可施加螺栓預緊力，計算該三維模型即可得到該區域應力分布及應力水平。本發明與現有技術相比有益效果充分發揮二維與三維有限元模型的優點，應用性強，計算時間短，并能保證計算精度，提高了計算效率。本發明方法中，有限元分析從二維模型到三維模型結合的方法來分析問題的思想較新穎，對其他大型復雜模型都可以使用。本發明方法對復合材料板與復合材料板連接，金屬板與金屬板連接，復合材料板與金屬板混合連接均適用，通用性強。
圖1 :本發明技術方案流程圖；圖2 :—列三釘單搭接連接件的二維板殼模型；I-復合材料板，2-金屬板，I-第一個釘，II-第二個釘，III-第三一個釘；圖3 :二維板殼模型中殼單元與梁元共用節點的示意圖；圖4 :三維實體模型網格形式及其約束方式示意圖；圖5 :三維實體模型中不同類型板旁路載荷的加載內容及方式示意圖；a :固支板加載內容及方式；b :非固支板加載內容及方式。
具體實施例方式現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述本發明的計算流程如圖I所示，為了更好的理解本發明的技術方案，將以上算法應用于常見的復合材料板與金屬板機械連接分析，分析內容為釘載分配計算，及最大釘載孔周圍的應力場分析。連接件是一列三釘的單搭接板，如圖2所示，以下步驟基于有限元軟件 ANSYS 步驟I根據不同的被連接板的實際長度和寬度，在各自的中面位置處建立幾何面，將工作平面的原點移動到釘所在位置，轉動工作平面，分別沿X方向和Y方向在兩個幾何面上切割出關鍵點。把不同板上同一個釘的關鍵點用線段連接起來，記錄保存關鍵點編號。復合材料板是圖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，用工作平面在各釘周圍劃分正方形區域；如圖2b所示；步驟3定義材料屬性，并對復合材料板賦予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格。線段賦予BEAM188梁元屬性，并劃分生成一個線網格。梁元的兩個端點在被連接板的網格節點上，即梁元與殼單元是共用節點的(如圖3所示)； 步驟4對連接件施加圖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模塊中計算該二維板殼模型；步驟6計算完成后，保存該模型為2D. db格式的數據文件。在后處理模塊分別取出各個公共節點的節點力大小，該值就是釘載；步驟7將釘載分配比例最大的I釘作為目標釘。在二維板殼模型中，選取出每塊被連接板上目標釘附近的正方形區域，即選取出圖2b中的陰影區域；
步驟8提取正方形區域四周的旁路載荷。先選中陰影區域內的單元，再選擇正方形邊上的節點，在命令框內輸入FSUM命令，可以得到選中單元對這些節點的作用力；用該命令分別提取出每個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據文件之中；步驟9新建作業，并根據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。根據釘和墊圈的實際尺寸，建立緊固件的幾何體，并忽略螺紋形狀，將釘與墊圈當做整體。選擇金屬板方塊，將其沿X方向的一端延長模型長度的10%作為彈性假體；彈性假體的目的是消除固支這個強約束對應力分布造成的不利影響；步驟10對上述三維幾何模型賦予S0LID185實體單元屬性，并掃略生成六面體網格。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，生成的三維實體模型，模型網格如圖4所示；步驟11將步驟8中取出的旁路載荷作為應力邊界條件分別加到三維實體模型對應的面上。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，剪力用表面效應單元SURF154加載；彎矩按彎曲正應力公式折算成正應力，以梯度的形式加到對應面上；預緊力使用ANSYS內部提供的預緊力單元施加。三維實體模型中彈性假體部分的側邊不包含應力邊界條件，如在圖5a中，僅在陰影部分施加應力邊界條件；步驟12在Solution模塊中計算該三維實體模型，當計算完成后，可以在后處理模塊中提取出各個鋪層在各自單元坐標系下的結果，并繪制應力云圖，亦可查看整體變形圖。步驟13若要改變目標釘重新分析，則需恢復步驟6中保存的2D. db文件，再將步驟7到步驟12重復一遍即可。
權利要求
1.一種分析復合材料機械連接釘載的方法,其特征在于步驟如下 步驟I:根據各個被連接板的實際長度和寬度，在各自的中面位置處建立對應的幾何面，在釘位置處建立幾何線段； 步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個釘為中心，排距為邊長的正方形區域； 步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網格；將幾何線段賦予梁元屬性，并劃分成線網格，且梁元的兩個端點在被連接板的網格節點上，正方形邊上將存在節點；完成網格劃分，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梁元來傳遞； 步驟5 :通過有限元軟件求解計算模型，當計算完成后，在得到的計算結果中提取出梁元的節點力，該節點力大小為釘載。
2.一種利用權利要求I所述方法分析復合材料機械連接釘載的周圍應力分布及應力水平的方法，其特征在于步驟如下 步驟I :根據各個被連接板的實際長度和寬度，在各自的中面位置處建立對應的幾何面，在釘位置處建立幾何線段； 步驟2 :在幾何面上，分別劃分出以各個釘為中心，排距為邊長的正方形區域； 步驟3 :將幾何面賦予殼單元屬性，并劃分成四邊形網格；將幾何線段賦予梁元屬性，并劃分成線網格，且梁元的兩個端點在被連接板的網格節點上，正方形邊上將存在節點；完成網格劃分，得到二維有限元板殼模型； 步驟4 :在二維模型中，在任意一個釘為目標釘的被連接板上的正方形區域上，分別提取并保存正方形區域四周的旁路載荷，所述旁路載荷包括力和彎矩； 步驟5 :根據步驟2中正方形區域的邊長和各個被連接板的真實厚度，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，將它在軸線方向的一端延長至模型長度的10%，為彈性假體； 步驟6:根據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體單元屬性，掃略生成六面體網格；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，完成三維實體模型的建立； 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體模型對應面上的力邊界條件，且彈性假體的側邊不加載；力按照均布力的方式加載，彎矩按照彎曲正應力公式折算成應力在面上梯度加載，并在釘上通過預緊力單元施加螺栓預緊力； 步驟10 :利用有限元軟件求解計算該三維模型，得到目標釘周圍應力分布及應力水平。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于在步驟4中改變目標釘，依次將所有釘作為目標釘，并反復重復步驟4 步驟10得到所有釘周圍的應力分布及應力水平。
全文摘要
本發明涉及一種分析復合材料機械連接釘載和應力分布及應力水平的方法，技術特征在于建立二維殼梁模型計算連接件釘載分配，并從二維模型中取出一個目標釘附近矩形區域的旁路載荷；在二維殼梁模型的基礎上，根據矩形區域的大小及螺栓尺寸等幾何信息，新建僅包含目標釘的三維實體模型，將二維模型取出的旁路載荷作為三維模型的力邊界條件，并可施加螺栓預緊力，計算該三維模型即可得到該區域應力分布及應力水平。本方法發明充分發揮有限元模型中二維建模方法與三維建模方法的優點，為工程上計算多釘連接釘載分配、及應力分析提供快速而準確的計算方法，降低設計成本。
文檔編號G06F17/50GK102622472SQ20121004602
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者劉興科, 劉向東, 姚振華, 李亞智, 李彪, 李璽, 束一秀, 王啟, 王海, 舒懷, 謝強 申請人:西北工業大學