CN103020350A - 一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空强度试验数值仿真领域，特别是涉及到一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法，包括根据含紧固件的实际结构抽象出力学模型的步骤，形成有限元数值仿真模型的步骤，进行仿真分析的步骤。本发明建立了铆钉载荷变形曲线的数值仿真方法，通过数值仿真分析获得紧固件载荷变形曲线。以简单的数值仿真计算来代替试验，在不降低精度的情况下，获得满足工程要求的紧固件载荷变形曲线。仿真分析方法简单，计算效率高。本发明解决了工程结构分析中精确确定紧固件力的分配瓶颈，为工程人员采用商用有限元软件分析铆接结构极限承载能力提供了技术支持；加快了飞机结构研发进度，节约新机研发成本。

Description

一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法

技术领域

本发明属于航空强度试验数值仿真领域，特别是涉及到一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法。

背景技术

对飞机铆接结构紧固件载荷的分配计算，除了常规的有限元分析方法和工程分析方法外，工程中发展了一种基于紧固件变形试验曲线（简称p-δ试验曲线）的有限元非线性分析技术，即利用紧固件变形数据和非线性有限元相结合方式，来确定紧固件载荷分配，分析时把紧固件变形数据置于模型中，然后利用有限元非线性求解功能获得铆接结构各个紧固件所分配的载荷。这种方法的优点是：计算精度高，适用于对结构总体有限元建模分析中或细节有限元建模分析中。

目前工程计算中所采用的p-δ曲线来自试验，即利用试验获得不同板厚不同类型的紧固件载荷变形曲线。这种方法的优点能真实地获得紧固件受载情况，其缺点是：1)需要试验设备、试验件和试验夹具；2）需要具备一定试验知识的人按一定试验流程来完成，不宜一般工程人员掌握；3）费时费力和费钱。因此，需要发展一种数值模拟方法，通过数值仿真获得紧固件载荷变形曲线。

发明内容

发明目的：提供一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法，能真实反映加载过程铆钉刚度变化的数值，以数值仿真代替试验，节省时间和节约成本。

技术方案：一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、根据含紧固件的实际结构抽象出力学模型：从飞机结构中切出一块含有紧固件的结构，施加力学边界也即支持结构、约束，建立紧固件变形分析的力学模型；

步骤二、形成有限元数值仿真模型：对力学模型进行有限元离散化处理，建立接触关系、约束，给紧固件和连接板赋予弹塑性应力应变关系，并施加载荷，形成有限元数值仿真模型；

步骤三、进行仿真分析：使用商用软件利用有限元模型进行数值仿真分析，获得紧固件的载荷变形曲线；由于紧固件变形δ涵盖紧固件自身弯曲、剪切和挤压变形和紧固件钉孔的挤压变形，计算时采用这样方法，即在紧固件两侧的上下板纵向对称面上取两点，计算沿载荷方向的相对位移δb，然后减去上下板的变形，它们的差值则为铆钉变形δ，也即：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_b-(\frac{{\mathrm{pd}}_1}{E_1{t}_{1}w}+\frac{{\mathrm{pd}}_2}{E_2{t}_{2}w})$

其中，E₁、E₂为上下板的弹性模量；t₁、t₂上下板的厚度；d₁、d₂为上下板距紧固件距离；

紧固件所承受的力取约束端载荷方向的支反力，获得紧固件载荷变形曲线。

有益效果：本发明建立了铆钉载荷变形曲线的数值仿真方法，通过数值仿真分析获得紧固件载荷变形曲线。以简单的数值仿真计算来代替试验，在不降低精度的情况下，获得满足工程要求的紧固件载荷变形曲线。仿真分析方法简单，计算效率高。本发明有益之处在于：1)提供了分析飞机铆接结构中紧固件真实刚度的一种仿真方法，解决了工程结构分析中精确确定紧固件力的分配瓶颈，为工程人员采用商用有限元软件分析铆接结构极限承载能力提供了技术支持；2）加快了飞机结构研发进度。通过计算机数值仿真可以在较短时间内建立连接不同板厚的不同类型紧固件的载荷变形曲线，使飞机设计人员通过分析手段较为精确获得飞机结构中紧固件载荷分配；3）节约新机研发成本，由于是采用计算机仿真而不是试验来获得紧固件载荷变形曲线，这样节省设计成本，提高了飞机在国际市场上竞争力。

附图说明

图1为本发明一实施例力学模型示意图；

图2为本发明一实施例有限元数值仿真模型示意图；

图3为本发明一实施例得到的紧固件载荷变形曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图3。

一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、根据含紧固件的实际结构抽象出力学模型：从飞机结构中切出一块含有紧固件的结构，施加力学边界也即支持结构、约束，建立紧固件变形分析的力学模型。力学模型中，为了使板在加载过程中始终处于弹性状态，板宽大于三倍的紧固件直径。板的端头距紧固件的距离L1足够大，以防止板端头变形对紧固件变形曲线影响。为了防止板发生翘曲，对上下板一侧以及板的端头进行弹性约束，弹性约束采用垫板A、B、C、D。对垫板B和下板B左端施加固支约束，对垫板A和上板A右端施加捆绑约束并施加载荷，这样就可以把载荷传到紧固件上。

步骤二、形成有限元数值仿真模型：对力学模型进行有限元离散化处理，建立接触关系、约束，给紧固件和连接板赋予弹塑性应力应变关系，并施加载荷，形成有限元数值仿真模型。1）网格划分和单元选则。上下板划分为六面体单元，采用8节点线性体元，考虑计算精度以及计算规模，钉孔周围单元尺寸不大于0.1mm，远离钉孔的地方单元尺寸可以大于0.1mm。紧固件钉头和镦头采用4节点线性体元，单元尺寸控制在0.2mm左右，紧固件杆也采用8节点线性体元，尺寸控制在0.2mm左右；2）材料模型：可采用材料的压缩试验实测曲线，也可采用双线性曲线；3）接触：定义上板A和下板B、上板A和垫板A、下板B与垫板B、上板A的钉孔与紧固件杆、下板B的钉孔与紧固件杆、紧固件钉头与上板A以及紧固件镦头与下板B的接触对。接触对中单元尺寸较大者为主面，较小者为从面，接触的法向性质为硬接触，切向采用Penalty摩擦公式。4）约束：对下板B和垫板B左端施加固支约束，对上板A与垫板D以及下板B和垫板C施加粘连约束，对垫板A和上板A右端施加捆绑约束以及约束垫板A、B、C、D一侧的面外自由度；5）载荷：在上板A和垫板A右端施加强迫位移。

步骤三、进行仿真分析：使用商用软件利用有限元模型进行数值仿真分析，获得紧固件的载荷变形曲线。由于紧固件变形δ涵盖紧固件自身弯曲、剪切和挤压变形和紧固件钉孔的挤压变形，计算时采用这样方法，即在紧固件两侧的上下板纵向对称面上取两点，计算沿载荷方向的相对位移δb，然后减去上下板的变形，它们的差值则为铆钉变形δ，也即：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_b-(\frac{{\mathrm{pd}}_1}{E_1{t}_{1}w}+\frac{{\mathrm{pd}}_2}{E_2{t}_{2}w})$

其中，E₁、E₂为上下板的弹性模量；t₁、t₂上下板的厚度；d₁、d₂为上下板距紧固件距离，p为施加在紧固件上载荷。

由于施加的是强迫位移，紧固件所承受的力取约束端载荷方向的支反力，这样就获得了紧固件载荷变形曲线。

实施例：

上板A和下板B长度L＝37.5mm，它们端头距紧固件距离L₁＝12.5mm，垫板A和垫板B长度分别为L₂＝10.0mm、L₃＝17.5mm；垫板C和垫板D长度都为L₄＝5.0mm，所有板的宽度w＝20mm。紧固件牌号为GB867-67，直径为φ＝3mm。

上板A厚度t₁＝1.8mm，下板B厚度t₂＝1.0mm，垫板A厚度为2.0mm，垫板B、C、D厚度为1.0mm。

上下板和紧固件材料为Ly12-CZ铝合金，材料屈服强度σ_cy＝427.8MPa、材料的弹性模量E＝77160MPa、材料的强化模量E_tan＝11.2MPa，极限强度σ_tu＝539.6MPa，泊松比μ＝0.305，

有限元仿真模型按照步骤2实现。

在结构右端施加1mm的强迫位移，采用Abaqus非线性流程对模型分析计算，获得各个节点的位移。按照步骤3就可以得到计算紧固件载荷位移曲线，如图3。

Claims (1)

1.一种紧固件载荷变形曲线数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据含紧固件的实际结构抽象出力学模型：从飞机结构中切出一块含有紧固件的结构，施加力学边界也即支持结构、约束，建立紧固件变形分析的力学模型；

步骤二、形成有限元数值仿真模型：对力学模型进行有限元离散化处理，建立接触关系、约束，给紧固件和连接板赋予弹塑性应力应变关系，并施加载荷，形成有限元数值仿真模型；

步骤三、进行仿真分析：使用商用软件利用有限元模型进行数值仿真分析，获得紧固件的载荷变形曲线；由于紧固件变形δ涵盖紧固件自身弯曲、剪切和挤压变形和紧固件钉孔的挤压变形，计算时采用这样方法，即在紧固件两侧的上下板纵向对称面上取两点，计算沿载荷方向的相对位移δb，然后减去上下板的变形，它们的差值则为铆钉变形δ，也即：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_b-(\frac{{\mathrm{pd}}_1}{E_1{t}_{1}w}+\frac{{\mathrm{pd}}_2}{E_2{t}_{2}w})$

其中，E₁、E₂为上下板的弹性模量；t₁、t₂上下板的厚度；d₁、d₂为上下板距紧固件距离；

紧固件所承受的力取约束端载荷方向的支反力，获得紧固件载荷变形曲线。

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