CN111159879A - 一种集中传载结构的钉载处理方法 - Google Patents

一种集中传载结构的钉载处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种集中传载结构的钉载处理方法，该方法包括：对集中传载结构进行受力形式工程分析，根据承载力确定集中传载结构中的多个承载区域；对多个承载区域进行前处理建模，建立每个承载区域的传载模型；根据承载力对多个承载区域进行网格划分，模拟部分承载区域的结构传载及应力水平，以及模拟另外部分承载区域的结构传载；对集中传载结构施加热力载荷；通过热力载荷在集中传载结构上的作用，对集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解；确定集中传载结构中的钉群载荷大小及结构应力应变数值。本发明实施例解决了现有方式对多钉连接钉载分配的计算基本局限于工程线弹性理论，而导致该方法的分析精确低，分析可靠性差的问题。

Description

一种集中传载结构的钉载处理方法
技术领域
本申请涉及但不限于结构强度分析技术领域，尤指一种集中传载结构的钉载处理方法。
背景技术
集中传载结构通常包括金属接头，复材层板，以及嵌套区的钉群，该集中传载结构广泛应用于飞机各个部位，这些部位集中载荷的传递多采用金属接头_ 复材层板混合多钉(例如采用150个钉)连接形式。
上述金属接头_复材层合板承受较大温度载荷和力载荷，受力形式复杂，钉载分配受结构刚度影响，往往出现钉群载荷分配不均匀的现象，上述金属接头_ 复材层合板的温度载荷为两种材料的热膨胀系数不同而产生的，力载荷为飞机气动载荷引起的。目前，无论是解析法还是有限元素法，针对多钉连接钉载分配的计算基本局限于工程线弹性理论，此方法分析精确低，分析可靠性差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种集中传载结构的钉载处理方法，以解决现有方式对多钉连接钉载分配的计算基本局限于工程线弹性理论，而导致该方法的分析精确低，分析可靠性差的问题。
本发明实施例提供一种集中传载结构的钉载处理方法，包括：所述集中传载结构包括：金属接头，两侧复材梁，一侧复材肋，上下蒙皮，所述金属接头的两侧腹板与两侧复材梁的腹板通过钉群连接，所述金属接头的另一侧腹板与复材肋的腹板通过钉群连接，上下蒙皮与金属接头的缘条，复材梁的缘条和复材肋的缘条通过钉群连接，所述钉载处理方法包括：
对所述集中传载结构进行受力形式工程分析，根据承载力确定所述集中传载结构中的多个承载区域；
对所述多个承载区域进行前处理建模，建立每个所述承载区域的传载模型；
根据承载力对所述多个承载区域进行网格划分，模拟所述部分承载区域的结构传载及应力水平，以及模拟另外部分承载区域的结构传载；
对所述集中传载结构施加热力载荷；
通过所述热力载荷在所述集中传载结构上的作用，对所述集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解；
根据求解结果，确定所述集中传载结构中的钉群载荷大小及结构应力应变数值。
可选地，如上所述的集中传载结构的钉载处理方法中，所确定的多个承载区域包括：关键承载受力区，次承载受力区和非关键受力区。
可选地，如上所述的集中传载结构的钉载处理方法中，所述关键承载受力区中的传载结构通过钉群连接，对所述关键承载受力区进行前处理建模，包括：
根据钉群与所述关键承载受力区的实际接触状态变化，建立弹塑性接触对，以模拟所述关键承载受力区的实际传力路线。
可选地，如上所述的集中传载结构的钉载处理方法中，所述次承载受力区中的传载结构通过钉群连接，对所述次承载受力区进行前处理建模，包括：
根据次承载受力区中钉群连接关系建立梁元，以模拟钉群的真实刚度。
可选地，如上所述的集中传载结构的钉载处理方法中，所述非关键受力区中的传载结构通过钉群连接，对所述非关键承载受力区进行前处理建模，包括：
根据非关键受力区中钉群连接关系建立刚性连接元，以模拟刚性连接关系，并对所述刚性连接关系建立刚性连接属性。
可选地，如上所述的集中传载结构的钉载处理方法中，所述根据承载力对所述多个承载区域进行网格划分，包括：
对所述关键承载受力区进行小尺寸二次单元六面体网格划分，以模拟所述关键受力区的结构传载和应力水平；
对所述次承载受力区和所述非关键受力区进行一次四面体粗网格划分，以模拟所述次承载受力区和所述非关键受力区的结构传载。
可选地，如上所述的集中传载结构的钉载处理方法中，所述对所述集中传载结构施加热力载荷，包括：
对所述集中传载结构施加温度载荷，对金属接头上的耳片施加力载荷。
可选地，如上所述的集中传载结构的钉载处理方法中，所述对所述集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解，包括：
采用显示求解器进行有限元求解，以得到对所述集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解的结果。
本发明实施例提供的传载结构的钉载处理方法，该方法针对集中传载结构为金属_复材混合的结构，给出热力耦合载荷下钉群载荷分配大小关系，准确表征金属接头_复材基体的应力应变水平，形成一整套热力耦合载荷下钉群载荷、基体应力应变精确分析方法。采用本发明实施例提供的方法，可以对集中传载结构在热力耦合下进行精确载荷分配分析，对钉群载荷进行精确模拟，从而对结构应力、应变水平进行精确表征，从而实现有效减轻结构重量的效果。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的一种集中传载结构的钉载处理方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种集中传载结构的结构示意图；
图3为本发明实施例中一种关键承载受力区的传载结构的示意图；
图4为本发明实施例中一种对关键承载受力区建立的接触对的示意图；
图5为本发明实施例中一种对次承载受力区建立的梁元的示意图；
图6为本发明实施例中一种对非承载受力区建立的刚性连接元的示意图；
图7为本发明实施例中一种对非承载受力区建立的刚性连接属性的示意图；
图8为本发明实施例提供的集中传载结构的钉载处理方法中一种划分网格的示意图；
图9为本发明实施提供的集中传载结构的钉载处理方法中一种施加温度载荷的示意图；
图10为某型机中一种典型的金属_复材混合的集中传载结构的示意图；
图11为对图10所示金属_复材混合的集中传载结构确定出的A区、B区和C区的示意图；
图12为对图10所示集中传载结构进行热力耦合下的钉载分配分析得到的应变示意图；
图13为对图10所示集中传载结构进行热力耦合下的钉载分配分析得到的金属应力云示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例提供的一种集中传载结构的钉载处理方法的流程图，图2为本发明实施例中一种集中传载结构的结构示意图。本发明实施例中的集中传载结构包括：金属接头1，两侧复材梁4，一侧复材肋3，上下蒙皮2，金属接头1的两侧腹板与两侧复材梁4的腹板通过钉群连接，金属接头1的另一侧腹板与复材肋3的腹板通过钉群连接，上下蒙皮与金属接头的缘条，复材梁的缘条和复材肋的缘条通过钉群连接。基于集中传载结构中的钉群连接方式，本实施例提供的集中传载结构的钉载处理方法可以包括如下步骤：
S110，对集中传载结构进行受力形式工程分析，根据承载力确定集中传载结构中的多个承载区域；
S120，对多个承载区域进行前处理建模，建立每个承载区域的传载模型；
S130，根据承载力对多个承载区域进行网格划分，模拟部分承载区域的结构传载及应力水平，以及模拟另外部分承载区域的结构传载；
S140，对集中传载结构施加热力载荷；
S150，通过热力载荷在集中传载结构上的作用，对集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解；
S160，根据求解结果，确定集中传载结构中的钉群载荷大小及结构应力应变数值。
可选地，本发明实施例提供的钉载处理方法中，S110中确定出的多个承载区域可以包括：关键承载受力区A，次承载受力区B和非关键受力区C，如图 2中的A区，B区和C区。
本发明实施例提供的集中传载结构的钉载处理方法，为热力耦合下集中传载结构的钉群载荷确定方式，该方式针对集中传载结构为金属_复材混合的结构，给出热力耦合载荷下钉群载荷分配大小关系，准确表征金属接头_复材基体的应力应变水平，形成一整套热力耦合载荷下钉群载荷、基体应力应变精确分析方法。采用本发明实施例提供的方法，可以对集中传载结构在热力耦合下进行精确载荷分配分析，对钉群载荷进行精确模拟，从而对结构应力、应变水平进行精确表征，从而实现有效减轻结构重量的效果。
在本发明实施例的一种实现方式中，关键承载受力区(A区)中的传载结构例如通过钉群连接，如图3所示，为本发明实施例中一种关键承载受力区的传载结构的示意图，关键承载受力区(A区)的传载结构为图中的接触对；相应地，S120中对关键承载受力区(A区)进行前处理建模的实现方式，可以包括：
根据钉群与关键承载受力区的实际接触状态变化，建立弹塑性接触对，以模拟关键承载受力区的实际传力路线。
如图4所示，为本发明实施例中一种对关键承载受力区建立的接触对的示意图。参考图3和图4所示，由于关键承载受力区(A区)集中传载结构通过钉群连接，考虑螺栓与集中传载结构实际接触状态变化，可以建立无摩擦弹塑性接触对以模拟结构实际传力路线，结构接触对示意图见图3和图4所示。
在本发明实施例的另一种实现方式中，次承载受力区(B区)中的传载结构例如通过钉群连接；相应地，S120中对次承载受力区(B区)进行前处理建模的实现方式，可以包括：
根据次承载受力区中钉群连接关系建立梁元，以模拟钉群的真实刚度。
如图5所示，为本发明实施例中一种对次承载受力区建立的梁元的示意图。由于次承载受力区(B区)通过钉群连接，不考虑螺栓接触状态变化，简化为梁元以模拟螺栓真实刚度，梁元创建示意如图5所示。
在本发明实施例的又一种实现方式中，非关键受力区中的传载结构通过钉群连接；相应地，S130中对非关键承载受力区(C区)进行前处理建模的实现方式，可以包括：
根据非关键受力区中钉群连接关系建立刚性连接元，以模拟刚性连接关系，并对刚性连接关系建立刚性连接属性。
如图6所示，为本发明实施例中一种对非承载受力区建立的刚性连接元的示意图，如图7所示，为本发明实施例中一种对非承载受力区建立的刚性连接属性的示意图。由于非关键承载受力区(C区)不考虑连接接触状态变化及钉群刚度，建立Fastener刚体元以模拟刚性连接关系，如图6所示，并对连接关系赋予刚性连接属性，如图7所示，用以模拟非关键受力区域的载荷传递。
可选地，图8为本发明实施例提供的集中传载结构的钉载处理方法中一种划分网格的示意图，本发明实施例中，S130中根据承载力对多个承载区域进行网格划分的实现方式，可以包括：
对关键承载受力区(A区)进行小尺寸二次单元六面体网格划分，以模拟关键受力区(A区)的结构传载和应力水平；
对次承载受力区(B区)和非关键受力区(C区)进行一次四面体粗网格划分，以模拟次承载受力区和非关键受力区的结构传载。通过上述方式划分出的有限元网格参见图8所示。
可选地，由于集中传载结构的金属和复材混合使用，温度作用下变形不一致产生结构应力；因此，本发明实施例中S140的实现方式，可以包括：
对集中传载结构施加温度载荷，对金属接头上的耳片施加力载荷。
如图9所示，为本发明实施提供的集中传载结构的钉载处理方法中一种施加温度载荷的示意图。
可选地，由于集中传载结构接触对(指A区的接触对)纵多，连接关系复杂，非线性高度耦合，结构自由度纵多，求解需要多部迭代，求解收敛困难；因此，本发明实施例中S150的实现方式，可以包括；
采用显示求解器进行有限元求解，以得到对集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解的结果。
以下通过一个具体实施示例对本发明实施例提供的飞机机翼的集中传载结构的钉载处理方法的实施方式进行详细说明。该钉载处理方法具体可以包括如下步骤：
步骤1，对集中传载结构进行受力形式初步工程分析，确定关键承载受力区(A区)、次承载受力区(B区)及非关键受力区(C区)，进行前处理建模；
步骤2，集中传载结构中的关键承载受力区(A区)通过钉群连接，考虑螺栓与集中传载结构实际接触状态变化，建立无摩擦弹塑性接触对以模拟结构实际传力路线，结构接触对示意图见图3和图4；
步骤3，集中传载结构中的次承载受力区(B区)通过钉群连接，不考虑螺栓接触状态变化，简化为梁元以模拟螺栓真实刚度，梁元创建示意图如图5 所示；
步骤4，集中传载结构中的非关键受力区(C区)，不考虑连接接触状态变化及钉群刚度，建立Fastener刚体元以模拟刚性连接关系，如图6所示，并对连接关系赋予刚性连接属性，如图7所示，用以模拟非关键受力区域的载荷传递；
步骤5，对热力耦合集中传载结构，对高应力集中传载结构中的钉群接触区(即A区)进行小尺寸二次单元六面体网格剖分，以模拟结构传载及关键部位应力水平，对次承载受力区(B区)及非关键受力区(C区)进行一次四面体粗网格剖分，结构有限元网格图如图8所示；可以看出，本发明实施例中对主要的关键承力区进行细节分区，对次承力区及非受力关键区域进行简化；
步骤6，集中传载金属和复材混合使用，温度作用下变形不一致产生结构应力，对集中传载结构施加温度载荷，如图9所示，对金属接头上的耳片施加力载荷；
步骤7，集中传载结构接触对纵多，连接关系复杂，非线性高度耦合，结构自由度纵多，求解需要多部迭代，求解收敛困难，本发明实施例中例如选择显示求解器(ABAQUS/Explicit)进行有限元精确应力及钉群载荷分配求解；
步骤8，依据计算结果，确定集中传载结构热力耦合下钉群载荷及结构应力应变数值，并确定结构刚度指标是否合理。
本发明上述各实施例提供的集中传载结构的钉载处理方法，适用于热力耦合载荷下金属_复材混合结构钉载确定分析，该方法具有较大应用价值，已经在某型号的集中传载结构中的到验证，如图10所示，为某型机中一种典型的金属 _复材混合的集中传载结构的示意图。通过工程经验，确定关键承载受力区(A 区)、次承载受力区(B区)及非关键承载受力区(C区)，如图11所示，为对图10所示金属_复材混合的集中传载结构确定出的A区、B区和C区的示意图。
考虑细节接触状态、梁元连接特性及刚性连接行为，进行热力耦合下的钉载分配分析，得到钉群载荷大小，结构应力应变及变形，如图12所示，为对图 10所示集中传载结构进行热力耦合下的钉载分配分析得到的应变示意图；如图 13所示，为对图10所示集中传载结构进行热力耦合下的钉载分配分析得到的金属应力云示意图。
本发明实施例提供的集中传载结构的钉载处理方法，考虑集中传载结构的非线性，依据工程受力分析，对多钉(例如150个)的受力形式进行归类，分别简化为实体接触类、梁元类、Fastener共三类钉元，并真实模拟连接基体刚度，考虑结构温度场载荷及大集中力载荷，对连接钉载进行准确非线性模拟，准确表征金属接头_复材基体的应力应变水平，形成一整套热力耦合载荷下钉群载荷、基体应力应变精确分析方法。
参考图12和图13所示，通过该非线性分析方法精确得到了钉群载荷大小，复材结构应变、金属结构应力；该方法的计算精度高，可以有限减轻结构重量 15％，实际应用中减轻重量2.32千克(Kg)，该试验结果已经得到了试验验证。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所述集中传载结构包括：金属接头，两侧复材梁，一侧复材肋，上下蒙皮，所述金属接头的两侧腹板与两侧复材梁的腹板通过钉群连接，所述金属接头的另一侧腹板与复材肋的腹板通过钉群连接，上下蒙皮与金属接头的缘条，复材梁的缘条和复材肋的缘条通过钉群连接，所述钉载处理方法包括：
对所述集中传载结构进行受力形式工程分析，根据承载力确定所述集中传载结构中的多个承载区域；
对所述多个承载区域进行前处理建模，建立每个所述承载区域的传载模型；
根据承载力对所述多个承载区域进行网格划分，模拟所述部分承载区域的结构传载及应力水平，以及模拟另外部分承载区域的结构传载；
对所述集中传载结构施加热力载荷；
通过所述热力载荷在所述集中传载结构上的作用，对所述集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解；
根据求解结果，确定所述集中传载结构中的钉群载荷大小及结构应力应变数值。
2.根据权利要求1所述的集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所确定的多个承载区域包括：关键承载受力区，次承载受力区和非关键受力区。
3.根据权利要求2所述的集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所述关键承载受力区中的传载结构通过钉群连接，对所述关键承载受力区进行前处理建模，包括：
根据钉群与所述关键承载受力区的实际接触状态变化，建立弹塑性接触对，以模拟所述关键承载受力区的实际传力路线。
4.根据权利要求2所述的集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所述次承载受力区中的传载结构通过钉群连接，对所述次承载受力区进行前处理建模，包括：
根据次承载受力区中钉群连接关系建立梁元，以模拟钉群的真实刚度。
5.根据权利要求2所述的集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所述非关键受力区中的传载结构通过钉群连接，对所述非关键承载受力区进行前处理建模，包括：
根据非关键受力区中钉群连接关系建立刚性连接元，以模拟刚性连接关系，并对所述刚性连接关系建立刚性连接属性。
6.根据权利要求2所述的集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所述根据承载力对所述多个承载区域进行网格划分，包括：
对所述关键承载受力区进行小尺寸二次单元六面体网格划分，以模拟所述关键受力区的结构传载和应力水平；
对所述次承载受力区和所述非关键受力区进行一次四面体粗网格划分，以模拟所述次承载受力区和所述非关键受力区的结构传载。
7.根据权利要求1所述的集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所述对所述集中传载结构施加热力载荷，包括：
对所述集中传载结构施加温度载荷，对金属接头上的耳片施加力载荷。
8.根据权利要求2所述的集中传载结构的钉载处理方法，其特征在于，所述对所述集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解，包括：
采用显示求解器进行有限元求解，以得到对所述集中传载结构进行应力求解和钉群载荷分配求解的结果。
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