CN111122319A - 一种复合材料胶接修理结构强度评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料强度技术领域，涉及一种复合材料胶接修理结构强度评估方法。本发明使用ABAQUS用户子程序VUMAT编写复合材料本构关系，cohesive界面单元模拟胶接界面，使用Hashin准则、二次名义应力准则，以及基于能量的连续退化方式，分别模拟复合材料、胶接界面的初始失效和渐进损伤过程；基于试验方法，设计轴压和剪切情况下复合材料加筋壁板三维模型的边界和载荷施加方法；采用ABAQUS显示动力学方法计算复合材料加筋壁板胶接修理结构的强度；采用稳定性分析与显示动力学方法相结合的方法计算复合材料加筋壁板完好结构的强度。利用上面的技术，用来对复合材料加筋壁板修理结构进行有限元仿真分析，并对其原始结构、损伤结构进行强度对比，实现修理方案的可设计性。

Description

一种复合材料胶接修理结构强度评估方法
技术领域
本发明属于复合材料强度技术领域，涉及一种复合材料胶接修理结构强度评估方法。
背景技术
复合材料加筋壁板是最为常见的航空主结构形式，对该结构形式及修理方案进行分析计算，能够指导结构及修理设计，提高设计效率。目前大多数分析都基于二维模型展开，而修理结构需考虑几何的三维特征，需使用三维模型进行模拟。
胶接修理方案的制定涉及复合材料本体、修理胶膜的材料本构特征，还需考虑加筋壁板结构在轴压和剪切载荷下的失稳特征，施加与试验方法最相符的边界条件，对稳定性分析至关重要。修理方案的强度恢复效果需对比完好结构件、损伤结构件及胶接修理件的强度。
发明内容
本发明的目的：本发明的主要使用ABAQUS用户子程序VUMAT编写复合材料本构关系， cohesive界面单元模拟胶接界面，使用Hashin准则、二次名义应力准则，以及基于能量的连续退化方式，分别模拟复合材料、胶接界面的初始失效和渐进损伤过程；基于试验方法，设计轴压和剪切情况下复合材料加筋壁板三维模型的边界和载荷施加方法；采用ABAQUS显示动力学方法计算复合材料加筋壁板胶接修理结构的强度；采用稳定性分析与显示动力学方法相结合的方法计算复合材料加筋壁板完好结构的强度。
利用上面的技术，用来对复合材料加筋壁板修理结构进行有限元仿真分析，并对其原始结构、损伤结构进行强度对比，实现修理方案的可设计性。
本发明的技术方案：一种复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立复合材料加筋壁板三维有限元模型，单元类型为实体单元，通过ABAQUS 提供的用户自定义子程序接口编写复合材料三维本构关系及初始失效判据，定义材料发生失效后损伤变量以及复合材料三维本构关系的变化；
步骤二，在加筋壁板长桁和壁板之间、补片和损伤孔之间建立界面单元cohesive，通过 ABAQUS对材料定义时，首先对胶膜定义初始失效判据，模拟胶接界面的渐进损伤；
步骤三，施加边界及载荷条件，计算加筋壁板结构承载能力及破坏模式。
步骤四，复合材料加筋壁板完好结构，需用ABAQUS的Bulk模块进行屈曲分析，将一阶和二阶模态下的结点位移乘以系数进行叠加，以初始扰动的方式施加于结构上，然后按照步骤一、二、三计算结构的承载能力及破坏模式。
步骤五，复合材料加筋壁板损伤结构及修理结构，按照步骤一、二、三计算结构的承载能力及破坏模式。
步骤六，比较复合材料加筋壁板完好结构、损伤结构、修理结构的承载能力。得出修理方案是否可行的结论。
所述边界及载荷条件包括轴压工况和剪切工况。
所述轴压工况边界的施加方法：在夹具夹持部位施加位移约束，一端固支，另一端沿轴向施加位移载荷，在翼肋位置施加法向变形约束；
所述工况边界的施加方法：在夹具夹持部位施加法向变形约束，夹具缺口处(固定位置和加载位置)设置参考点，并与相邻两边施加MPC Link约束，模拟夹具中螺栓的传载，在固定端参考点施加固支约束，在加载位置参考点施加位移载荷。
所述复合材料材料发生失效后损伤变量及模拟胶接界面的渐进损伤是采用基于能量的退化方法。
所述材料三维本构关系是指复合材料弹性变形过程中，应力与应变之间的关系。
所述材料初始失效判据采用Hashin实现。
胶膜的初始损伤判断使用二次名义应力准则。
所述损伤结构包含直孔损伤和斜挖孔损伤。
所述修理结构指斜挖补胶接修理结构。
本发明的有益效果：本发明通过与试验对比，验证了有限元建模方法、材料本构模拟、边界条件施加、计算方法选取的可靠有效，形成的这套方法，能够指导复合材料加筋壁板的结构设计及修理方案设计，提高设计效率，减少迭代次数。
附图说明
图1为两长桁复合材料加筋壁板完好结构受轴压载荷工况的有限元模型图。
图2为复合材料加筋壁板完好结构、直挖孔损伤结构、斜挖孔损伤结构、斜接胶接修理结构的载荷-位移曲线图。
图3为复合材料加筋壁板完好结构中蒙皮、长桁、胶膜的损伤模式。
图4为复合材料加筋壁板直挖孔结构蒙皮、长桁、胶层损伤情况。
图5为复合材料加筋壁板单斜挖孔结构蒙皮、长桁、胶层损伤情况。
图6为复合材料加筋壁板斜挖修理结构蒙皮、长桁、补片、胶层损伤情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如图1所示，一种复合材料胶接修理结构强度评估方法，包括以下步骤：
步骤一，建立复合材料加筋壁板三维有限元模型，单元类型为实体单元，通过ABAQUS 提供的用户自定义子程序接口编写复合材料三维本构关系及Hashin初始失效判据，采用基于能量的退化方法定义材料发生失效后损伤变量以及复合材料三维本构关系的变化；
步骤二，在加筋壁板长桁和壁板之间、补片和损伤孔之间建立界面单元cohesive，通过 ABAQUS对材料定义时，首先使用二次名义应力准则对胶膜定义初始失效判据，采用基于能量的退化方法定义模拟胶接界面的渐进损伤；
步骤三，施加边界及载荷条件，包括轴压工况和剪切工况，计算加筋壁板结构承载能力及破坏模式。
轴压工况边界的施加方法：在夹具夹持部位施加位移约束，一端固支，另一端沿轴向施加位移载荷，在翼肋位置施加法向变形约束；
剪切工况边界的施加方法：在夹具夹持部位施加法向变形约束，夹具缺口处(固定位置和加载位置)设置参考点，并与相邻两边施加MPC Link约束，模拟夹具中螺栓的传载，在固定端参考点施加固支约束，在加载位置参考点施加位移载荷。
步骤四，复合材料加筋壁板完好结构，需用ABAQUS的Bulk模块进行屈曲分析，将一阶和二阶模态下的结点位移乘以系数进行叠加，以初始扰动的方式施加于结构上，然后按照步骤一、二、三计算结构的承载能力及破坏模式。
步骤五，复合材料加筋壁板损伤结构及修理结构，按照步骤一、二、三计算结构的承载能力及破坏模式。
步骤六，比较复合材料加筋壁板完好结构、损伤结构、修理结构的承载能力。得出修理方案是否可行的结论。
复合材料三维本构关系，是指复合材料弹性变形过程中，应力与应变之间的关系。
损伤结构，包含直孔损伤和斜挖孔损伤，修理结构，指斜挖补胶接修理结构。
复合材料加筋壁板损伤结构和修理强度分析过程：将损伤和修理的三维结构特征在模型中进行体现，因为这些结构在几何特征上截面突变，存在应力集中，结构更易在应力集中位置发生初始损伤，因而直接采用显示动力学方法对这两类结构进行强度分析。
图2为复合材料加筋壁板完好结构、直挖孔损伤结构、斜挖孔损伤结构、斜接胶接修理结构的载荷-位移曲线图。
图3为复合材料加筋壁板完好结构中蒙皮、长桁、胶膜的损伤模式。
图4为复合材料加筋壁板直挖孔结构蒙皮、长桁、胶层损伤情况。
图5为复合材料加筋壁板单斜挖孔结构蒙皮、长桁、胶层损伤情况。
图6为复合材料加筋壁板斜挖修理结构蒙皮、长桁、补片、胶层损伤情况
通过对比图2中几种结构的载荷-位移曲线。相比完好结构，直挖孔损伤结构强度降低 41％，斜挖孔后，强度比直孔孔损伤强度继续降低9.8％，斜挖补修理后，结构强度恢复至完好结构的92.6％，修理方案可行。

Claims (10)

1.一种复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立复合材料加筋壁板三维有限元模型，单元类型为实体单元，通过ABAQUS提供的用户自定义子程序接口编写复合材料三维本构关系及初始失效判据，定义材料发生失效后损伤变量以及复合材料三维本构关系的变化；
步骤二，在加筋壁板长桁和壁板之间、补片和损伤孔之间建立界面单元cohesive，通过ABAQUS对材料定义时，首先对胶膜定义初始失效判据，模拟胶接界面的渐进损伤；
步骤三，施加边界及载荷条件，计算加筋壁板结构承载能力及破坏模式，
步骤四，复合材料加筋壁板完好结构，需用ABAQUS的Bulk模块进行屈曲分析，将一阶和二阶模态下的结点位移乘以系数进行叠加，以初始扰动的方式施加于结构上，然后按照步骤一、二、三计算结构的承载能力及破坏模式，
步骤五，复合材料加筋壁板损伤结构及修理结构，按照步骤一、二、三计算结构的承载能力及破坏模式，
步骤六，比较复合材料加筋壁板完好结构、损伤结构、修理结构的承载能力，得出修理方案是否可行的结论。
2.如权利要求1所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述边界及载荷条件包括轴压工况和剪切工况。
3.如权利要求2所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述轴压工况边界的施加方法：在夹具夹持部位施加位移约束，一端固支，另一端沿轴向施加位移载荷，在翼肋位置施加法向变形约束。
4.如权利要求2所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述工况边界的施加方法：在夹具夹持部位施加法向变形约束，夹具缺口处(固定位置和加载位置)设置参考点，并与相邻两边施加MPC Link约束，模拟夹具中螺栓的传载，在固定端参考点施加固支约束，在加载位置参考点施加位移载荷。
5.如权利要求1所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述复合材料材料发生失效后损伤变量及模拟胶接界面的渐进损伤是采用基于能量的退化方法。
6.如权利要求1所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述材料三维本构关系是指复合材料弹性变形过程中，应力与应变之间的关系。
7.如权利要求1所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述材料初始失效判据采用Hashin实现。
8.如权利要求1所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，胶膜的初始损伤判断使用二次名义应力准则。
9.如权利要求1所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述损伤结构包含直孔损伤和斜挖孔损伤。
10.如权利要求1所述的复合材料胶接修理结构强度评估方法，其特征在于，所述修理结构指斜挖补胶接修理结构。
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