CN110334461B - 一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷基复合材料螺栓预制体‑结构一体化设计方法，包括如下步骤：预制体建模；结构建模；变形与失效计算。本发明依据陶瓷基复合材料的实际细观结构，建出了螺栓内部不同的小复合材料，可以实现因小复合材料内的细观失效引起的结构上的宏观失效。本发明所建出的螺纹，可以体现螺纹牙失效形式，并且还考虑了螺纹上复杂的应力情况对螺杆断裂失效形式的影响，从而提高CMCs螺栓的强度的预测精确度。本发明依据结构的实际尺寸和形状，建成了某种结构的陶瓷基复合材料预制体‑结构一体化模型，模型精确度高，能准确反映出材料各组成部分，同时给出宏观和细观结构参数，便于制备人员加工。

Description

一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMCs)具有耐高温等特性，使其在有机基材料和金属基材料不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，而成为理想的高温结构材料。螺栓连接在大型复杂CMCs结构中被广泛使用。但由于陶瓷材料本身的脆性，CMCs螺栓容易出现螺杆断裂、螺纹牙断裂和螺栓头部断裂等失效形式，导致结构出故障，甚至引起重大事故。因此如何设计CMCs螺栓的结构和尺寸，使其在服役过程中不发生失效，是设计者要解决的关键问题。

目前对针刺CMCs预制体研究主要是简化针刺CMCs细观结构。该方法把针刺陶瓷基复合材料的0°单向纤维层、90°单向纤维层和网胎层走向简化为直线、截面简化为矩形，针刺纤维束简化为圆柱体且垂直于0°和90°单向纤维层，以建立针刺CMCs预制体的模型(见史剑.针刺陶瓷基复合材料应力应变响应模拟及验证[D].南京：南京航空航天大学，2011)。此技术只能建立预制体模型，不能建立具体结构的细观模型用于计算，并不能解决工程实际问题，具有一定局限性。

目前一些学者从宏观角度建立了针刺CMCs螺栓的模型(见Junwu Mu&ZhidongGuan，et al.The Experiment and Numerical Simulation of Composite Countersunk-head Fasteners Pull-through Mechanical Behavior.[J]Appl Compos Mater，2014，21(5)：773-787)。这种螺栓的设计方法没有考虑陶瓷基复合材料的细观结构对结构失效的影响。相同材料的螺栓会因不同的细观结构导致计算结果不尽相同，所以仅仅从宏观角度去设计CMCs螺栓会使预测的强度不够准确。因此，有必要发明一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，并用参数的形式完成建模，能建立更接近实际材料的细观结构，使得计算结果更加精确。

本发明中建立的细观模型可以实现CMCs螺栓细观组分的刚度折减，使螺栓结构强度和失效模式的预测结果都更为准确。建立螺纹可以很好地体现螺纹牙失效形式，并且还考虑了螺纹上复杂的应力情况对螺杆断裂失效形式的影响，这对提高CMCs螺栓结构强度预测精度都是十分重要的。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法。该方法可以建立具体结构模型且真实地反映出内部细观结构，利用渐进损伤方法进行强度分析。该方法不仅可以提高强度的预测精度，而且给出宏观和细观结构参数，便于制备人员加工，同时参数化的设计使得模型可作快速修改，应用范围更广。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、预制体建模：

1.1设定铺层厚度h，将针刺陶瓷基复合材料的铺层简化为长宽厚分别为L、W和h的矩形平板，并将铺层沿厚度方向堆叠n层，形成长宽厚分别为L、W和H的铺层模型，其中H等于n*h，铺层模型包括单向纤维层和网胎层；

1.2设定针刺纤维束的直径r和间距d，然后在垂直于铺层的方向，等间距地建立直径为r、高度为H的圆柱体模型，作为针刺纤维束模型；

1.3对铺层模型和针刺纤维束模型进行布尔操作，铺层模型依次减去纤维束模型，形成带孔的铺层模型，用于模拟受针刺纤维穿透后形成的铺层模型；带孔的铺层模型和针刺纤维束模型共同构成了材料的预制体模型，预制体模型包含了预制体细观结构的参数；

步骤2、结构建模：

2.1根据螺栓宏观尺寸参数，建立螺栓的宏观CAD实体模型，再建立长宽高分别为L、W和H的立方体模型，对立方体模型和螺栓的宏观CAD实体模型进行布尔减操作，生成具有螺栓空腔的立方体模型；

2.2对预制体模型和具有螺栓空腔的立方体模型进行布尔操作，预制体减去具有螺栓空腔的立方体模型就形成了陶瓷基复合材料螺栓模型，陶瓷基复合材料螺栓模型包含了陶瓷基复合材料螺栓的细观参数和宏观参数；

步骤3、变形与失效计算：计算陶瓷基复合材料螺栓模型的失效荷载，判断失效模式。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，在建模之前，首先拍摄针刺陶瓷基复合材料螺栓的XCT照片，然后测量出单向纤维层厚度h_f、网胎层厚度h_s、针刺纤维束直径r和间距d，再测量出螺栓的宏观尺寸参数，包括大径c1、小径c2、长度L、螺距P、螺栓头部直径D。

进一步地，步骤1.1中，根据测量得出的单向纤维层厚度h_f，建立长宽高分别为L、W、h_f的Block模型作为一层单向纤维层；再根据网胎层厚度h_s，建立长宽高分别为L、W、h_s的Block模型作为一层网胎层；按照一层单向纤维层一层网胎层的顺序建立高度为H的预制体初始模型。

进一步地，步骤1.2中，根据测量出的针刺纤维束的直径r和间距d，在垂直于单向纤维层的方向，等间距地建立直径为r、高度为H的Cylinder模型作为针刺纤维束。

进一步地，步骤3具体如下：

3.1在单向纤维层、网胎层和针刺纤维束间设置绑定接触或布尔粘结操作，内外螺纹接触设置摩擦接触；

3.2将陶瓷基复合材料螺栓模型划分为有限单元，分别赋予单向纤维层、网胎层和针刺纤维束初始材料参数，并施加约束和位移载荷；施加荷载后，通过静力计算得到各单元应力，判断各单元应力是否达到折减条件或失效条件，若单元应力满足折减条件就修改该单元相应方向的弹性模量，若单元应力满足失效准则，则标记该单元，并把弹性模量进行折减；然后增加荷载，进行新的一轮循环，对未标记的单元进行单元应力的判断；

3.3每一轮循环中，在通过静力计算得到各单元应力之后提取约束节点反力，将第i次循环中提取的节点反力P_i与上次循环的反力P_i-1进行比较，如果ΔP＝|P_i|-|P_i-1|＜0，且|ΔP|≥k|ΔP_i-1|，k为大于0的实数，或者静力计算中的非线性求解不再收敛，则认为CMCs螺栓结构最终失效，直接结束循环，第i步的节点反力即为失效载荷，此时，打开第i步的计算结果，观察标记的损伤单元分布形式，判断螺栓失效模式；反之，判断各单元应力是否达到折减条件或失效条件，继续循环。

进一步地，步骤3.1中，螺栓外螺纹作为接触面，螺母内螺纹作为目标面，接触类型为Standard，摩擦系数为0.4。

本发明的有益效果是：

1、本发明依据陶瓷基复合材料的实际细观结构，建出了螺栓内部不同的小复合材料，所以可以实现因小复合材料内的细观失效(基体开裂、纤维脱粘和纤维断裂等)引起的结构上的宏观失效(螺杆断裂、螺纹牙断裂和螺栓头部断裂等)。本发明建出的螺纹，可以体现螺纹牙失效形式，并且还考虑了螺纹上复杂的应力情况对螺杆断裂失效形式的影响。本发明中的这些创新点都可以提高CMCs螺栓的强度的预测精确度；

2、本发明依据结构的实际尺寸和形状，建成了某种结构的陶瓷基复合材料预制体-结构一体化模型。模型精确度高，能准确反映出材料各组成部分，同时给出宏观和细观结构参数，便于制备人员加工；

3、本发明建立数字化模型的过程完全实现了参数化，当结构尺寸发生变化时，可通过仅修改参数达到快速修改模型的目的。本发明通过改变预制体和结构的参数，可以实现不同宏细观尺寸、形状的一体化模型的设计。

附图说明

图1是本发明建立针刺陶瓷基复合材料预制体示意图。

图2是本发明建立螺栓空腔立方体示意图。

图3是本发明建立针刺陶瓷基复合材料螺栓模型示意图。

图4是本发明预测螺栓的失效模式示意图。

图5是小复合材料的刚度折减流程图。

附图标记如下：1-单向纤维层、2-网胎层、3-针刺纤维束、4-损伤破坏单元。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，具体步骤如下：

1.预制体建模

1)设定铺层厚度h，将针刺陶瓷基复合材料的铺层简化为长宽厚分别为L、W和h的矩形平板，并将铺层沿厚度方向堆叠n层，形成长宽厚分别为L、W和H的铺层模型，其中H等于n*h。

2)设定针刺纤维束的直径r和间距d，然后在垂直于铺层的方向，等间距地建立直径为r、高度为H的圆柱体模型，作为针刺纤维束模型。

3)对铺层模型和针刺纤维束模型进行布尔操作，铺层模型依次减去纤维束模型，形成带孔的铺层模型，该模型模拟了受针刺纤维穿透后形成的铺层模型。带孔的铺层模型和针刺纤维束模型共同构成了材料的预制体模型，该模型包含了预制体细观结构的参数如h、n、r、d等。

2.结构建模

1)根据测量出的螺栓宏观尺寸参数c1、c2、c3等，建立螺栓的宏观CAD实体模型，再建立长宽高分别为L、W和H的立方体模型，对立方体和结构模型进行布尔减操作，生成具有螺栓空腔的立方体模型。

2)对预制体模型和空腔模型进行布尔操作，预制体减去此结构空腔就形成了陶瓷基复合材料螺栓模型。该模型包含了陶瓷基复合材料螺栓的细观参数(如h、n、r、d等)和宏观参数(c1、c2、c3等)。

3.变形与失效计算

1)单向纤维层、网胎层和针刺纤维束间设置绑定接触(或布尔粘结操作)，内外螺纹接触设置摩擦接触。

2)本发明中把单向纤维层和针刺纤维束都看作单向纤维增强复合材料处理，且材料参数相同仅纤维增强方向不同，统称为小复合材料，网胎层看作各向同性材料。随着应力增大，陶瓷基复合材料会发生基体开裂、纤维脱粘、纤维断裂等失效，导致材料的刚度折减，形成双线性的本构特征。借助渐进损伤方法可以实现小复合材料的刚度折减。随着细观失效的扩展，最终可能会引起螺杆断裂、螺纹牙断裂和螺栓头部断裂等宏观结构上的失效形式。本发明通过循环语句来完成小复合材料的刚度折减，流程图如图5。

3)将陶瓷基复合材料螺栓模型划分为有限单元，施加约束和位移载荷，通过静力计算得到各单元应力，判断单元应力是否达到折减条件或失效条件。若单元应力满足折减条件就修改该单元相应方向的弹性模量(刚度)，若单元应力满足失效准则，则标记该单元，并把弹性模量折减到一个较小的值(不能过小，因为接触单元两侧的单元刚度相差过大容易发生接触渗透导致接触非线性不收敛的情况)。然后增加荷载，进行新的一轮循环，对未标记的单元进行单元应力的判断。

4)在每一步应力分析后提取约束节点反力，当第i次提取的节点反力P_i与上次的反力P_i-1进行比较，如果ΔP＝|P_i|-|P_i-1|＜0，且|ΔP|≥k|ΔP_i-1|，k为大于0的实数，或者非线性求解不再收敛，则认为CMCs螺栓结构最终失效，第i步的节点反力即为失效载荷。此时，打开第i步的计算结果，观察标记的损伤单元分布形式，即可判断螺栓失效模式。

4.优化

1)改变预制体结构参数，可改变预制体中的细观尺寸以满足实际需求。

2)根据需要结构的宏观尺寸大小和形状，用预制体减去带有结构空腔的模型，就可以获得不同结构的陶瓷基复合材料预制体/结构一体化模型。

接下来，以针刺陶瓷基复合材料螺栓的设计作为具体实施例，对本发明做进一步阐述：

1、拍摄针刺陶瓷基复合材料螺栓的XCT照片，然后测量出纤维层厚h_f、网胎层厚h_s、针刺纤维束直径r和间距d，再测量出螺栓的大径c1、小径c2、长度L、螺距P、螺栓头部直径D等尺寸备用。

2、根据测量出的单向纤维层厚度h_f，建立长宽高分别为L、W(W略大于D)、h_f的Block模型作为一层单向纤维层，再根据网胎层厚度h_s，建立长宽高分别为L、W(W略大于D)、h_s的Block模型作为一层网胎层。按照一层单向纤维层一层网胎层的顺序建立高度为H(H略大于D)的铺层模型。

3、根据测量出的针刺纤维束的直径r和间距d，在垂直于单向纤维层的方向，等间距地建立直径为r、高度为H的Cylinder模型作为针刺纤维束。

4、对铺层模型和针刺纤维束模型进行布尔操作，铺层模型依次减去纤维束模型，形成带孔的铺层模型，该模型模拟了受针刺纤维穿透后形成的铺层模型。带孔的铺层模型和针刺纤维束模型共同构成了材料的预制体模型，该模型包含了预制体细观结构的参数如h、n、r、d等，结果如图1所示。

5、根据测量出的c1、c2、L、P、D等螺栓的宏观尺寸，建立螺栓的CAD模型。

6、建立长宽高分别为L、W、H的立方体模型，对立方体和螺栓模型进行布尔减操作，生成具有螺栓空腔的立方体模型，如图2所示。

7、预制体模型减去具有螺栓空腔的立方体模型，即可生成针刺陶瓷基复合材料螺栓，该模型包含了陶瓷基复合材料螺栓的细观参数(如h、n、r、d等)和宏观参数(c1、c2、L等)，结果如图3所示。

8、单向纤维层、网胎层和针刺纤维束间设置绑定接触，生成接触对，接触类型为Bonded。内外螺纹接触设置摩擦接触，螺栓外螺纹作为接触面(生成接触单元CONTA174)，把螺母内螺纹作为目标面(生成目标单元TARGE170)，接触类型为Standard，摩擦系数为0.4。

9、分别赋予单向纤维层、网胎层和针刺纤维束初始材料参数，并施加约束和位移载荷，进行计算。判断单元应力是否达到折减条件或失效条件。若单元应力满足折减条件就修改该单元相应方向的弹性模量，若单元应力满足失效准则，则标记该单元，并把弹性模量折减1/10⁴(不能过小，因为接触单元两侧的单元刚度相差过大容易发生接触渗透导致接触非线性不收敛的情况)。然后增加荷载，进行新的一轮循环。

10、在每一步应力分析后提取约束节点反力，将第i次提取的节点反力P_i与上次的反力P_i-1进行比较，如果ΔP＝|P_i|-|P_i-1|＜0，且|ΔP|≥k|ΔP_i-1|，或者非线性求解不再收敛，则认为CMCs螺栓结构最终失效，第i步的节点反力即为失效载荷。此时，打开第i步的计算结果，观察标记的损伤单元分布形式，即可判断螺栓失效模式。螺栓损伤单元的分布情况如图4所示，标记的损伤单元在螺纹牙一带，可以判断为螺纹牙断裂。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、预制体建模：

1.1设定铺层厚度h，将针刺陶瓷基复合材料的铺层简化为长宽厚分别为L、W和h的矩形平板，并将铺层沿厚度方向堆叠n层，形成长宽厚分别为L、W和H的铺层模型，其中H等于n*h，铺层模型包括单向纤维层和网胎层；

1.2设定针刺纤维束的直径r和间距d，然后在垂直于铺层的方向，等间距地建立直径为r、高度为H的圆柱体模型，作为针刺纤维束模型；

1.3对铺层模型和针刺纤维束模型进行布尔操作，铺层模型依次减去纤维束模型，形成带孔的铺层模型，用于模拟受针刺纤维穿透后形成的铺层模型；带孔的铺层模型和针刺纤维束模型共同构成了材料的预制体模型，预制体模型包含了预制体细观结构的参数；

步骤2、结构建模：

2.1根据螺栓宏观尺寸参数，建立螺栓的宏观CAD实体模型，再建立长宽高分别为L、W和H的立方体模型，对立方体模型和螺栓的宏观CAD实体模型进行布尔减操作，生成具有螺栓空腔的立方体模型；

2.2对预制体模型和具有螺栓空腔的立方体模型进行布尔操作，预制体减去具有螺栓空腔的立方体模型就形成了陶瓷基复合材料螺栓模型，陶瓷基复合材料螺栓模型包含了陶瓷基复合材料螺栓的细观参数和宏观参数；

步骤3、变形与失效计算：计算陶瓷基复合材料螺栓模型的失效荷载，判断失效模式；具体如下：

3.1在单向纤维层、网胎层和针刺纤维束间设置绑定接触或布尔粘结操作，内外螺纹接触设置摩擦接触；

3.2将陶瓷基复合材料螺栓模型划分为有限元，分别赋予单向纤维层、网胎层和针刺纤维束初始材料参数，并施加约束和位移载荷；施加荷载后，通过静力计算得到各单元应力，判断各单元应力是否达到折减条件或失效条件，若单元应力满足折减条件就修改该单元相应方向的弹性模量，若单元应力满足失效准则，则标记该单元，并把弹性模量进行折减；然后增加荷载，进行新的一轮循环，对未标记的单元进行单元应力的判断；

3.3每一轮循环中，在通过静力计算得到各单元应力之后提取约束节点反力，将第i次循环中提取的节点反力P_i与上次循环的反力P_i-1进行比较，如果ΔP＝|P_i|-|P_i-1|＜0，且|ΔP|≥k|ΔP_i-1|，k为大于0的实数，或者静力计算中的非线性求解不再收敛，则认为CMCs螺栓结构最终失效，直接结束循环，第i步的节点反力即为失效载荷，此时，打开第i步的计算结果，观察标记的损伤单元分布形式，判断螺栓失效模式；反之，判断各单元应力是否达到折减条件或失效条件，继续循环。

2.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，其特征在于：在建模之前，首先拍摄针刺陶瓷基复合材料螺栓的XCT照片，然后测量出单向纤维层厚度h_f、网胎层厚度h_s、针刺纤维束直径r和间距d，再测量出螺栓的宏观尺寸参数，包括大径c1、小径c2、长度L、螺距P、螺栓头部直径D。

3.如权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，其特征在于：步骤1.1中，根据测量得出的单向纤维层厚度h_f，建立长宽高分别为L、W、h_f的Block模型作为一层单向纤维层；再根据网胎层厚度h_s，建立长宽高分别为L、W、h_s的Block模型作为一层网胎层；按照一层单向纤维层一层网胎层的顺序建立高度为H的预制体初始模型。

4.如权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，其特征在于：步骤1.2中，根据测量出的针刺纤维束的直径r和间距d，在垂直于单向纤维层的方向，等间距地建立直径为r、高度为H的Cylinder模型作为针刺纤维束。

5.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料螺栓预制体-结构一体化设计方法，其特征在于：步骤3.1中，螺栓外螺纹作为接触面，螺母内螺纹作为目标面，接触类型为Standard，摩擦系数为0.4。

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