CN103366094B - 一种基于力载荷和力边界条件的确定复合材料结构强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于力载荷和力边界条件的确定复合材料结构强度的方法，包括以下步骤：（1）根据整体化复合材料结构参数建立整体化复合材料结构模型；（2）基于整体化复合材料结构模型确定危险部位及危险部位的力载荷；（3）采用节点力耦合将整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到危险部位详细模型上；（4）采用力载荷进行危险部位详细模型的渐进损伤分析得到危险部位破坏载荷，进而得到整体化复合材料结构的强度。本发明提出的基于力载荷和力边界条件的确定复合材料结构强度的方法，适用于工程应用中的复杂复合材料结构强度分析，解决了目前的整体-局部分析方法中无法将整体结构的力载荷直接转换成渐进损伤分析的位移载荷的问题。
Description
技术领域
本发明涉及整体化复合材料结构的强度分析，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复杂复合材料结构。
背景技术
随着复合材料在航空航天飞行器结构中的广泛应用，复合材料结构在飞行器整体结构中占据着越来越重要的地位。而对复合材料结构进行强度分析无论对飞行器结构设计还是强度校核都十分重要。
在工程中对大型复合材料结构进行强度分析时，往往先建立结构的整体模型，然后分析其应力分布，根据应力计算结果对结构的薄弱环节建立详细模型并进行局部强度分析，以薄弱环节破坏时，结构所承受的总载荷作为整体结构的破坏载荷。其中关键的两步是把整体结构分析得到的薄弱部位的载荷转化到局部结构上及在此载荷状态下对整体结构进行破坏预测。
局部复杂复合材料结构的强度预测方法主要是渐进损伤方法。现有渐进损伤方法均采用位移载荷，而从整体结构分析中得到的是力载荷，这就使得整体结构到局部结构的转化变得困难。另外，局部结构通常采用体单元建模，而整体结构通常采用壳、梁单元建模，这两种单元自由度不同，不能将整体结构载荷直接施加到局部结构上。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种采用节点力耦合方法实现整体模型到局部模型的载荷传递，并采用力载荷直接对局部模型进行渐进损伤分析的确定整体化复合材料结构强度的方法。
本发明的技术解决方案：一种基于力载荷和力边界条件的确定复合材料结构强度的方法，实现步骤如下：
步骤A，根据整体化复合材料结构参数建立整体化复合材料结构模型；
步骤B，基于整体化复合材料结构模型确定危险部位及危险部位的力载荷；
步骤C，采用节点力耦合将整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到危险部位详细模型上；
步骤D，采用力载荷进行危险部位详细模型的渐进损伤分析得到危险部位破坏载荷，进而确定整体化复合材料结构的强度。
所述步骤B中基于整体化复合材料结构模型确定危险部位及危险部位的力载荷实现过程为：
（B1）基于整体化复合材料结构模型，计算整体化复合材料结构的载荷分布；
（B2）根据整体化复合材料结构的载荷分布计算结果，确定整体化复合材料结构的危险部位；
（B3）根据危险部位与危险部位邻近结构的关系，选择危险部位的分析范围，并得到在整体化复合材料结构模型中该分析范围边界上作用在危险部位上的力载荷。
所述步骤C中采用节点力耦合将整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到危险部位详细模型上实现过程为：
（C1）建立上述危险部位详细模型；
（C2）在危险部位详细模型上建立整体化复合材料结构模型边界上有载荷的节点，其中节点位置与整体化复合材料结构模型相同，并定义该节点为加载节点；
（C3）将上述加载节点与危险部位详细模型边界上邻近的节点逐个建立节点力耦合关系；
（C4）任意选定一个加载节点，对其施加平动和转动约束，并将由整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到其他加载节点上。
所述步骤D采用力载荷进行危险部位详细模型的渐进损伤分析得到危险部位破坏载荷，进而确定整体化复合材料结构的强度实现过程为：
（D1）在确定危险部位详细模型的载荷及约束条件之后，将其载荷乘以一个较小的小于等于0.1的载荷系数施加在危险部位上，分析其应力状态，根据相应的失效准则判断危险部位单元是否失效；
（D2）如果危险部位没有单元失效，则增加载荷系数，重新按上述步骤（D1）计算；如果危险部位有单元发生失效，则采用材料刚度退化模型对失效单元进行刚度退化，在载荷系数不变的情况下按步骤（D1）计算；
（D3）逐渐增加载荷系数，直到分析不收敛为止，此时的载荷系数乘以危险部位的载荷即为危险部位的破坏载荷，载荷系数乘以整体化复合材料结构的载荷即为整体化复合材料结构破坏载荷，即整体化复合材料结构的强度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明基于力载荷和力边界条件的确定复合材料结构强度的方法采用节点力耦合方法实现整体模型到局部模型的载荷传递，避免了任何形式的载荷转化。此外，由于对结构进行静力分析时，需要约束结构的6个刚体自由度，本方法提出在剩余的一个加载节点上施加6个位移约束实现，最终约束节点的支反力会与该节点在整体结构上受到的载荷平衡，可以用于对载荷施加过程进行验证。
（2）本发明基于力载荷和力边界条件的确定复合材料结构强度的方法采用力载荷直接对局部模型进行渐进损伤分析，以发生损伤的单元质量为衡量结构破坏程度的标准，以分析时的不收敛作为结构的破坏载荷，即结构的强度。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明实施例1简化机翼的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明方法的具体实现为：
1.根据整体化复合材料结构参数建立整体化复合材料结构模型；
2.基于整体化复合材料结构模型确定危险部位及危险部位的力载荷；
基于整体化复合材料结构模型，计算整体化复合材料结构模型的载荷分布；根据整体化复合材料结构的载荷分布计算结果，确定整体化复合材料结构的危险部位；根据危险部位与危险部位邻近结构的关系选择危险部位的分析范围，并得到在整体化复合材料结构模型中该分析范围边界上作用在危险部位上的力载荷。
3.采用节点力耦合将整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到危险部位详细模型上；
建立上述危险部位详细模型；在危险部位详细模型上建立整体化复合材料结构模型边界上有载荷的节点，其中节点位置与整体化复合材料结构模型相同，并定义该节点为加载节点；将上述加载节点与危险部位详细模型边界上邻近的节点逐个建立节点力耦合关系；任意选定一个加载节点，对其施加平动和转动约束，并将由整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到其他加载节点上。
4.采用力载荷进行危险部位详细模型的渐进损伤分析得到危险部位破坏载荷，进而确定整体化复合材料结构的强度。
在确定危险部位详细模型的载荷及约束条件之后，将其载荷乘以一个较小的小于等于0.1的载荷系数，施加在危险部位详细模型上，分析其应力状态，根据相应的失效准则判断危险部位单元是否失效；如果危险部位没有单元失效，则增加载荷系数，重新按上述步骤计算；如果危险部位有单元发生失效，则采用材料刚度退化模型对失效单元进行刚度退化，在载荷系数不变的情况下按上述步骤计算；逐渐增加载荷系数，直到分析不收敛为止，此时的载荷系数乘以危险部位的载荷即为危险部位的破坏载荷，载荷系数乘以整体化复合材料结构的载荷即为整体化复合材料结构破坏载荷，即整体化复合材料结构的强度。
实施例1：某简化机翼的强度分析
如图2所示，整个机翼结构由大梁，前翼和后翼组成，共采用28个螺栓进行连接。
1.根据简化机翼的结构参数建立机翼整体结构有限元模型，在翼根部施加位移约束，在翼端面内采用位移耦合单元施加沿弦向的力矩和垂直于展向的外力；
2.通过对机翼整体结构有限元模型的应力分析得到机翼整体结构的变形云图，由变形云图得出机翼整体结构最薄弱的部位位于最接近翼根部的后翼与大梁的连接螺栓处，接下来在螺栓处选择邻近的单元，并得到边界上后翼和大梁局部的力载荷；
3.采用体单元建立上述危险部位详细模型,包括后翼局部结构、螺栓和大梁局部结构。由于两个模型的节点自由度不同，并且网格疏密也不同，利用本发明提出的采用节点力耦合将整体结构模型得到的危险部位载荷施加到危险部位详细模型上，具体步骤如下：
（1）在危险部位详细模型上建立整体结构模型边界有载荷的节点，定义该节点为加载节点；
（2）将上述加载节点与危险部位详细模型边界上邻近的节点逐个建立节点力耦合关系；
（3）任意选定一个加载节点，对其施加平动和转动约束，并将整体结构模型得到的危险部位载荷施加到在危险部位详细模型上建立的整体结构模型边界的其他加载节点上。
4.采用力载荷进行危险部位详细模型的渐进损伤分析得到危险部位破坏载荷，进而确定简化机翼结构的强度。具体步骤如下：
（1）将上述载荷乘以一个较小的系数，如0.1，施加在危险部位详细模型上，分析危险部位的应力状态，根据相应的失效准则判断危险部位单元是否失效；
（2）如果危险部位没有单元失效，则增加载荷系数，重新按步骤（1）计算；如果危险部位有单元发生失效，则采用材料刚度退化模型对失效单元进行刚度退化，在载荷系数不变的情况下按步骤（1）计算；
（3）逐渐增加载荷系数，直到结构分析不收敛为止，此时的载荷系数乘以整体结构的载荷为整体结构所能承受的载荷，即简化机翼结构的强度。
采用载荷系数-失效单元数曲线可以判定初始失效发生在载荷系数为0.9时，并且随着载荷系数增加失效单元数逐渐增加，并且增加的速度也增加，当载荷系数为1.4时，一半孔周已经发生失效，当载荷系数增加到1.6时，危险部位达到最大载荷，载荷系数再增加计算不收敛，表明在更大的载荷系数下危险部位无法达到力的平衡，已经超出了危险部位的承载范围，由失效单元情况可见孔周全部发生了失效，即载荷系数为1.6时，简化机翼结构发生最终失效，其强度值为载荷系数乘以简化机翼结构的载荷。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于力载荷和力边界条件的确定复合材料结构强度的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A，根据整体化复合材料结构参数建立整体化复合材料结构模型；
步骤B，基于整体化复合材料结构模型确定危险部位及危险部位的力载荷；
步骤C，采用节点力耦合将整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到危险部位详细模型上；
步骤D，采用力载荷进行危险部位详细模型的渐进损伤分析得到危险部位破坏载荷，进而确定整体化复合材料结构的强度；
所述步骤B中基于整体化复合材料结构模型确定危险部位及危险部位的力载荷实现过程为：
(B1)基于整体化复合材料结构模型，计算整体化复合材料结构的载荷分布；
(B2)根据整体化复合材料结构的载荷分布计算结果，确定整体化复合材料结构的危险部位；
(B3)根据危险部位与危险部位邻近结构的关系，选择危险部位的分析范围，并得到在整体化复合材料结构模型中该分析范围边界上作用在危险部位上的力载荷；
所述步骤C中采用节点力耦合将整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到危险部位详细模型上实现过程为：
(C1)建立上述危险部位详细模型；
(C2)在危险部位详细模型上建立整体化复合材料结构模型边界上有载荷的节点，其中节点位置与整体化复合材料结构模型相同，并定义该节点为加载节点；
(C3)将上述加载节点与危险部位详细模型边界上邻近的节点逐个建立节点力耦合关系；
(C4)任意选定一个加载节点，对其施加平动和转动约束，并将由整体化复合材料结构模型得到的危险部位力载荷施加到其他加载节点上；
所述步骤D中采用力载荷进行危险部位详细模型的渐进损伤分析得到危险部位破坏载荷，进而确定整体化复合材料结构的强度实现过程为：
(D1)在确定危险部位详细模型的载荷及约束条件之后，将其载荷乘以一个较小的小于等于0.1的载荷系数施加在危险部位上，分析其应力状态，根据相应的失效准则判断危险部位单元是否失效；
(D2)如果危险部位没有单元失效，则增加载荷系数，重新按上述步骤(D1)计算；如果危险部位有单元发生失效，则采用材料刚度退化模型对失效单元进行刚度退化，在载荷系数不变的情况下按步骤(D1)计算；
(D3)逐渐增加载荷系数，直到分析不收敛为止，此时的载荷系数乘以危险部位的载荷即为危险部位的破坏载荷，载荷系数乘以整体化复合材料结构的载荷即为整体化复合材料结构破坏载荷，即整体化复合材料结构的强度。
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