CN109902341A - 一种改进的复合材料多钉连接钉载分配分析的有限元方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进的复合材料多钉连接钉载分配分析的有限元方法，包括：(1)建立复合材料连接板的壳单元模型，连接板的螺栓位置开孔；(2)用ABAQUS中的Fastener连接方式模拟螺栓，Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟；(3)Fastener方式中的连接点和复合材料连接板完全耦合且影响区域大小设为螺栓垫片面积；(4)施加载荷和边界条件，然后求解。本发明可以更真实的模拟连接板的实际刚度；大大减少了时间和试验成本；提高了模型对于复合材料螺栓连接结构的次弯曲效应的模拟精度。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料机械连接钉载分配的技术领域，具体涉及一种改进的复合材料多钉连接钉载分配分析的有限元方法，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复合材料多钉连接结构。
背景技术
复合材料是大型客机上重要的材料，多钉连接是复合材料重要的连接形式，也是复合材料结构的强度薄弱环节。通常，超大数量螺栓的连接结构的失效分析分成两步，钉载分配分析确定承载严重的孔，和对承载严重的孔的失效分析代替对所有孔的失效分析。这样，通过对较少钉孔进行失效分析，即可获得超大数量螺栓的连接结构的失效情况。因此，开发大型结构的高效的钉载分配分析方法非常重要。
目前常用的复合材料机械连接钉载分配确定方法主要有解析法、刚度法和有限元法。复合材料螺栓连接结构钉载分配确定的解析方法是基于Lekhnitskii等的复合材料孔板孔边应力分析发展起来的。由于钉载分配确定比孔边应力确定复杂得多，偏微分方程的求解需要采用边界配置法进行求解。但是由于当自由度增加时，边界配置法计算量增加迅速，许希武等利用保角映射及Faber级数避免了上述问题。尽管解析法具有计算简单、程序容易实现的特点，但是，解析方法对结构简化较大不适合工程实际结构的分析。
刚度法是一种基于弹性力学的钉载分配的简化计算方法。它将连接板和螺栓均简化为沿载荷方向具有一定刚度的元件，利用外载荷作用下不同元件的变形协调关系来求解每个元件的载荷，从而得到钉载分配。刚度法的核心是螺栓刚度模型，简单的折线形式的模型可以很好地模拟螺栓和孔复杂接触时的力学行为，刚度模型已经从Tate and Rosenfeld的斜线，发展到Hart-smith的考虑损伤，McCarthy et al.的考虑间隙和拧紧力矩，到Liuet al.的考虑间隙对挤压弦刚度影响。
有限元方法进行钉载分配分析的模型有多种，Liu et al.等的模型中连接板和螺栓用3D单元模拟，在螺栓和连接板孔间定义接触单元可以详细地模拟钉载分配情况。然而3D单元模型计算量大难以承受，所以发展了很多简化模型。et al.的模型中复合材料连接板用3D单元模拟，金属连接板用2D单元模拟，螺栓用1D单元模拟。Gray和McCarthy的模型中螺栓和连接板均用2D单元模拟，连接板与螺栓间定义接触。Irisarri et al.，Gray and Mccarthy的模型中连接板用2D单元模拟，螺栓用1D单元模拟，Ekh和螺栓和板都是1D单元的等等。除连接板用1D单元模拟的模型，其他的都能模拟大型结构的钉载分配，而且板2D螺栓1D混合的有限元模型计算量最小。Irisarri et al.的模型中，模拟螺栓的1D梁单元的刚度用一个经验公式计算，但是，无法考虑间隙拧紧力矩对螺栓刚度的影响，不能模拟复杂的接触状态。Gray和McCarthy提出，用螺栓连接载荷位移曲线模拟螺栓的1D梁单元的刚度，可以模拟螺栓与孔的复杂接触下的刚度行为；螺栓与孔的节点采用有限元软件进行线性的耦合约束，减小了建模工作量和计算量，这种2D壳单元结合自定义梁单元模型是目前大型结构钉载分配分析的最高效的解法。但在Gray和McCarthy提出的这种有限元模型中，还存在以下问题：用载荷位移曲线模拟螺栓剪切刚度，每个不同间隙、拧紧力矩等的螺栓均需要单独测试载荷位移曲线；连接板模型不带孔这时的连接板的与孔板变形的实际情况不符；螺栓与连接板的接触区域用方形区域与公认是圆形区域不符，会影响次弯曲模拟精度。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，针对Gray和McCarthy提出的2D壳单元结合自定义梁单元有限元模型中存在的问题，加以改进，最终提出了一种改进的复合材料多钉连接结构的二维有限元模型，并用于大型复合材料多钉连接结构的钉载分配分析。
本发明的技术解决方案：一种改进的复合材料多钉连接钉载分配分析的有限元方法，实现步骤如下：
步骤A，建立复合材料连接板的壳单元模型，连接板的螺栓位置开孔；
步骤B，用ABAQUS中的Fastener连接方式模拟螺栓，Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟；所述步骤B中Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟的实现过程为：
用来模拟Fastener的剪切性能的螺栓刚度模型为Liu等人提出的螺栓刚度模型，通过这种方式，可以对螺栓和孔之间复杂的接触行为进行模拟；
采用的Liu等人提出的螺栓刚度模型为：
其中，K1是初始拟线性区域的连接刚度；Fc是临界摩擦载荷，表示过渡区高度，是拧紧力矩的线性函数；c是螺栓孔间隙，表示过渡区域长度；Ac是螺栓孔间隙的影响系数；K3是螺栓载荷传递区域中的净配合接头的轴承弦杆刚度。上述参数中K1，K3，Ac均为试验可测常数，试验测定后可以计算不同拧紧力矩和间隙的螺栓连接刚度模型。
步骤C，Fastener方式中的连接点和复合材料连接板完全耦合且影响区域大小设为螺栓垫片面积；
步骤D，施加载荷和边界条件，然后求解；所述步骤D中施加载荷和边界条件的实现过程为：
连接结构一端固定整个端部的轴向位移和3个转动自由度，以及端部中点的两个垂直轴向位移；另一端固定整个端部的3个转动自由度和端部中点的两个垂直轴向位移，整个端部施加非零轴向位移作为载荷。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明中复合材料连接板的螺栓位置加以开孔，可以更真实的模拟连接板的实际刚度；
(2)本发明中用ABAQUS中的Fastener连接方式模拟螺栓，Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟，与现有的采用自定义梁单元模拟螺栓，并且在自定义单元中采用载荷位移曲线模拟螺栓刚度的模型相比，大大减少了时间和试验成本；
(3)本发明中Fastener方式中影响区域设为与螺栓垫片面积相同的圆环形区域，比现在采用的方形区域更加合理，而且可以提高模型对于复合材料螺栓连接结构的次弯曲效应的模拟精度。
附图说明
图1是一种改进的复合材料多钉连接钉载分配分析的有限元方法实现流程图；
图2是实施例1连接板的有限元模型；
图3是实施例1的螺栓刚度模型；
图4是实施例1中Fastener方式中的影响区域设置；
图5是实施例1复合材料三钉连接结构钉载分配分析的二维有限元模型。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种改进的复合材料多钉连接钉载分配分析的有限元方法的具体实现为：
1.建立复合材料连接板的壳单元模型，连接板的螺栓位置开孔；
2.用ABAQUS中的Fastener连接方式模拟螺栓，Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟；
用来模拟Fastener的剪切性能的螺栓刚度模型为Liu等人提出的螺栓刚度模型，通过这种方式，可以对螺栓和孔之间复杂的接触行为进行模拟；
采用的Liu等人提出的螺栓刚度模型为：
其中，K1是初始拟线性区域的连接刚度；Fc是临界摩擦载荷，表示过渡区高度，是拧紧力矩的线性函数；c是螺栓孔间隙，表示过渡区域长度；Ac是螺栓孔间隙的影响系数；K3是螺栓载荷传递区域中的净配合接头的轴承弦杆刚度。上述参数中K1，K3，Ac均为试验可测常数，试验测定后可以计算不同拧紧力矩和间隙的螺栓连接刚度模型。
3.Fastener方式中的连接点和复合材料连接板完全耦合且影响区域大小设为螺栓垫片面积；
4.施加载荷和边界条件，然后求解；所述步骤D中施加载荷和边界条件的实现过程为：
连接结构一端固定整个端部的轴向位移和3个转动自由度，以及端部中点的两个垂直轴向位移；另一端固定整个端部的3个转动自由度和端部中点的两个垂直轴向位移，整个端部施加非零轴向位移作为载荷。
实施例1：复合材料三钉连接结构的钉载分配分析
1.根据复合材料三钉连接结构的几何尺寸建立连接板的平面几何模型，在连接板几何结构的螺栓位置根据螺栓参数开孔，用壳单元模拟连接板，并对壳单元赋予材料属性；
连接板材料为T800/X850复合材料，铺层为[45/0/-45/0/90/0/45/0/-45/0]S2，单层厚度0.185mm，层压板厚度为7.4mm，长度为292mm，宽度为48mm。螺栓直径为8mm，螺栓间距为32mm，端距为24mm；
连接板的有限元模型如图2所示；
2.用ABAQUS中的Fastener连接方式模拟螺栓，Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟；
用来模拟Fastener的剪切性能的螺栓刚度模型为Liu等人提出的螺栓刚度模型，通过这种方式，可以对螺栓和孔之间复杂的接触行为进行模拟；
采用的Liu等人提出的螺栓刚度模型为：
其中，K1是初始拟线性区域的连接刚度；Fc是临界摩擦载荷，表示过渡区高度，是拧紧力矩的线性函数；c是螺栓孔间隙，表示过渡区域长度；Ac是螺栓孔间隙的影响系数；K3是螺栓载荷传递区域中的净配合接头的轴承弦杆刚度。
根据试验测得的间隙为0.21mm时的载荷-位移曲线，如图3所示，进行数据处理，得到螺栓刚度模型的参数为：为Fc＝2.586kN，K1＝56.51(kN/mm),K3＝41.97(kN/mm)。
3.Fastener方式中的连接点和复合材料连接板完全耦合且影响区域大小设为螺栓垫片面积，该影响区域为圆环形状，如图4所示。
4.施加载荷和边界条件如下：连接结构一端固定整个端部的轴向位移和3个转动自由度，以及端部中点的两个垂直轴向位移；另一端固定整个端部的3个转动自由度和端部中点的两个垂直轴向位移，整个端部施加非零轴向位移作为载荷。最终建立的复合材料三钉连接结构钉载分配分析的二维有限元模型如图5所示，图中，U＝R＝0、Uy＝Uz＝R＝0、Ux表示前述的载荷和边界条件，然后进行求解分析，得到该结构各螺栓间的载荷分配。
Claims (1)
1.一种改进的复合材料多钉连接钉载分配分析的有限元方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A，建立复合材料连接板的壳单元模型，连接板的螺栓位置开孔；
步骤B，用ABAQUS中的Fastener连接方式模拟螺栓，Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟；所述步骤B中Fastener的剪切性能用刚度法中的螺栓刚度模型模拟的实现过程为：
通过螺栓刚度模型来模拟Fastener的剪切性能，用以对螺栓和孔之间复杂的接触行为进行模拟；
采用的螺栓刚度模型为：
其中，K1是初始拟线性区域的连接刚度；Fc是临界摩擦载荷，表示过渡区高度，是拧紧力矩的线性函数；c是螺栓孔间隙，表示过渡区域长度；Ac是螺栓孔间隙的影响系数；K3是螺栓载荷传递区域中的净配合接头的轴承弦杆刚度，K1，K3，Ac均为试验可测常数，试验测定后可以计算不同拧紧力矩和间隙的螺栓连接刚度模型；
步骤C，Fastener方式中的连接点和复合材料连接板完全耦合且影响区域大小设为螺栓垫片面积；
步骤D，施加载荷和边界条件，然后求解；所述步骤D中施加载荷和边界条件的实现过程为：连接结构一端固定整个端部的轴向位移和3个转动自由度，以及端部中点的两个垂直轴向位移；另一端固定整个端部的3个转动自由度和端部中点的两个垂直轴向位移，整个端部施加非零轴向位移作为载荷。
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| CN111159879A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-15 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | 一种集中传载结构的钉载处理方法 |
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