CN112214848B - 一种混合结构机械连接件钉载的获取方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合结构机械连接件钉载获取方法和装置，所述混合结构机械连接件包括采用n个钉连接的A板和B板；所述方法包括：获取所述连接件中板的材料热膨胀系数；根据所述板的材料热膨胀系数，采用公式P＝C‑1A，获取每个钉承受的载荷P1、P2、…、Pn。本发明结合有限元仿真分析获取公式中的相关参数，可以得到结构在温度场中自由膨胀状态下的钉载。和试验方法和有限元方法相比，该方法灵活性好，计算效率高，且易于编译相应的计算软件，可以为相关产品的结构设计和强度分析提供一种便捷的工程方法。

Description

一种混合结构机械连接件钉载的获取方法和装置
技术领域
本发明涉及结构力学领域，尤其涉及一种混合结构机械连接件钉载的获取方法和装置。
背景技术
在某些产品组成结构中，存在不同材料通过机械连接组成的混合结构。比如，在飞机中，就存在大量碳纤维复合材料和铝合金通过螺栓组成的连接件结构。这类结构在常温下装配，然而，其服役的环境常常包含极端低温和高温。由于不同材料的热膨胀系数不一致，导致结构的变形不匹配，从而产生热应力。在混合结构机械连接件中，热应力一般是以螺钉载荷的形式出现。这对产品的力学性能带来一定的影响，特别是在飞机这类安全性要求极高的产品中，需要对该载荷进行详细分析。
目前，国内外学者在分析混合结构在温度场下的热应力方面，对于结构的力学分析，一般以试验和有限元仿真分析分析为主。针对混合结构机械连接件在温度场下的热应力问题，在试验方面，单纯分析温度引起热应力的试验较少。若以典型的金属-复合材料连接件为试验对象，存在应变测量精度低难以准确计算螺钉载荷的问题；而大部件的试验往往需很大的环境箱，带来巨大的试验成本。在有限元仿真分析方面，为了准确计算结构中的热应力，一般建立结构的三维实体模型，但是模型中接触属性的设置给计算带来很大的挑战。以复合材料-金属三排单列单搭接连接件为例，设置的接触包括：螺钉的柱面和复合材料孔面以及金属孔面的接触、螺母以及垫片和相应复合材料面以及金属面的接触、复合材料下表面和金属上表面的接触。当结构中螺钉数量较多时，建模的难度可想而知，后果是计算往往难以收敛，若将螺钉进行简化，结果的准确性又很差。
发明内容
本发明实施例提供一种计算温度引起的混合结构机械连接件钉载的方法，该方法灵活性好，计算效率高，且易于编写相应的计算软件。
本发明提供一种混合结构机械连接件钉载获取方法，所述混合结构机械连接件包括采用n个钉连接的A板和B板；所述方法包括：
获取所述连接件中板的材料热膨胀系数；
根据所述板的材料热膨胀系数，采用公式P＝C-1A，获取每个钉承受的载荷P1、P2、…、Pn；
其中，P＝[P1 P2 P3 … Pi … Pn]T，
αA与αB分别为A板和B板的的材料热膨胀系数；ΔTA与ΔTB分别为A板和B板的的温度变化值；KD为钉的剪切刚度；为A板上第j个钉的单位载荷引起A板上第i个钉和第i+1个钉之间的轴向变形；/>为B板上第j个钉的单位载荷引起B板上第i个钉和i+1个钉之间的轴向变形；/>为A板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距，/>为B板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距；j<＝i，1<＝i<＝n-1，i，j和n均为整数。
可选的，混合结构机械连接件钉载获取方法还包括：
获取所述连接件中板的弹性模量、结构尺寸，以及钉的弹性模量、结构尺寸；
根据板的弹性模量、结构尺寸，获取和/>
根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，获取KD。
可选的，所述获取KD，包括：
根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，采用有限元分析方法，获取KD。
可选的，所述获取和/>包括：
根据板的弹性模量、结构尺寸，采用如下公式，获取和/>
其中，EA和EB分别为A板和B板的弹性模量；WA和WB分别为A板和B板的宽度；tA和tB分别为A板和B板的厚度。
可选的，所述连接件为壁板结构时，所述获取包括：
建立A板的有限元分析模型，向A板上的第j钉对应的孔施加不同的螺钉载荷，获取各载荷对应的A板上的第i个钉和第i+1个钉的轴向变形；
根据各载荷对应的轴向变形，获取载荷位移曲线；
获取载荷位移曲线的斜率，作为
本发明还提供一种混合结构机械连接件钉载获取装置，所述混合结构机械连接件包括采用n个钉连接的A板和B板；所述装置包括：
参数获取模块，用于获取所述连接件中板的材料热膨胀系数；
钉载获取模块，用于根据所述板的材料热膨胀系数，采用公式P＝C-1A，获取每个钉承受的载荷P1、P2、…、Pn；
其中，P＝[P1 P2 P3 … Pi … Pn]T，
αA与αB分别为A板和B板的的材料热膨胀系数；ΔTA与ΔTB分别为A板和B板的的温度变化值；KD为钉的剪切刚度；为A板上第j个钉的单位载荷引起A板上第i个钉和第i+1个钉之间的轴向变形；/>为B板上第j个钉的单位载荷引起B板上第i个钉和i+1个钉之间的轴向变形；/>为A板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距，/>为B板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距；j<＝i，1<＝i<＝n-1，i，j和n均为整数。
可选的，所述装置还包括：轴向刚度获取模块；
参数获取模块还用于，获取所述连接件中板的弹性模量、结构尺寸，以及钉的弹性模量、结构尺寸；
轴向刚度获取模块用于，根据板的弹性模量、结构尺寸，获取和/>根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，获取KD。
可选的，所述轴向刚度获取模块具体用于，根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，采用有限元分析方法，获取KD。
本发明提供的方法基于静不定结构的力法，得到一种混合结构机械连接件钉载计算方法，结合有限元仿真分析获取公式中的相关参数，可以得到结构在温度场中自由膨胀状态下的钉载。和试验方法和有限元方法相比，该方法灵活性好，计算效率高，且易于编译相应的计算软件，可以为相关产品的结构设计和强度分析提供一种便捷的工程方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是计算温度引起的混合结构机械连接件钉载的流程图；
图2是典型混合结构多钉连接件示意图；
图3是该混合结构多钉连接件钉载形式示意图；
图4是该混合结构多钉连接件变形前后示意图；
图5是分析该混合结构多钉连接件结构螺钉剪切模量的有限元单剪螺栓连接模型示意图；
图6是确定螺栓剪切变形两点的位置示意图，该两点分别对应两板的中点；
图7是计算混合结构连接件两板轴向刚度的示意图。。
具体实施方式
图1是计算温度引起的混合结构机械连接件钉载的流程图。图中具体过程如下：
第一步：建立结构参数库
以图2所示典型连接件结构为例，结构参数库主要包括，材料热膨胀系数、弹性模量、结构尺寸等。其中，对该结构的螺钉从左向右编号，每个钉承受的载荷分别为P1、P2、…、Pn。
第二步：建立结构变形协调方程
假设温度引起的连接件螺钉载荷分布形式如图3所示，第i个钉和第i+1(1<＝i<＝n-1)个钉变形前后的示意图如图4所示，可得两钉之间的变形协调方程为：
公式中，和/>分别为两板之间相邻两钉的间距，Δi为钉的剪切变形，/>和为热膨胀以及螺钉载荷引起A板和B板中相邻螺栓之间的变形。由于/>和/>相等，推导公式(1)后可得：
第三步：建立边界条件
结构在自由膨胀情况下时，由于没有外部载荷，因此边界条件为：
P1+P2+…+Pn＝0 (3)
对于轴向对称结构，由于结构中间区域轴向变形为0，也可用公式(4)所示的边界条件，以简化计算工作量。
本发明推导的公式基于公式(3)。
第四步：推导矩阵形式的钉载计算公式
钉的剪切变形Δi由钉载引起；连接件中两板第i个钉和第i+1个钉间的变形和由钉载P1、P2、…、Pj、…、Pi以及温度变化带来的热膨胀引起。依据材材料力学，可以得到公式(5)。
公式(5)中，αA与αB分别为两板材料沿拉伸方向的热膨胀系数；ΔTA与ΔTB分别为两板的温度变化值；KD定义为钉的剪切刚度；定义为A板的轴向刚度，其中j<＝i，表示作用在第j个钉的单位载荷引起A板第i个钉和i+1个钉之间的轴向变形；/>等定义为B板的轴向刚度，其中j<＝i，表示作用在第j个钉的单位载荷引起B板第i个钉和i+1个钉之间的轴向变形。将公式(5)带入公式(2)中，可得公式(6)。
结合公式(3),将公式(6)写成矩阵形式即：
CP＝A (7)
公式(7)中：
P＝[P1 P2 P3 … Pi … Pn]T；
因此，每个钉承受的载荷P1、P2、…、Pn可以通过公式(8)计算。
P＝C-1A (8)
第五步：公式中相关参数计算
结合第一步建立的结构参数库，可以得到公式中相关参数。其中，钉的剪切刚度为KD可以通过有限元仿真得到，具体的方法为：在有限元软件中建立相同结构形式的单钉螺栓连接模型，如图5所示，该模型的板宽、孔径、厚度等和算例一致。通过计算不同拉伸载荷下螺栓的剪切变形，建立相应的载荷位移曲线，该曲线斜率即为KD。其中，螺栓的剪切变形定义为拉伸载荷下，图6中两点轴向变形之差，该两点分别是两板的中点。
轴向刚度和/>的计算方法为：对于结构形式简单的连接件，根据材料力学，可通过公式(9)计算。
公式(9)中，EA和EB分别为A板和B板材料沿拉伸方向的弹性模量；WA和WB分别为两板的宽度；tA和tB分别为两板的厚度。
对于壁板类的复杂结构，每个板的轴向刚度是一系列不同的值，可以采用有限元仿真得到。图7以带孔平板结构为例，给出了计算该结构轴向刚度的示意图。假设该板为混合结构机械连接件的A板，首先建立相应的有限元模型，并在第j个孔施加不同的螺钉载荷。读取计算结果中第i个钉和第i+1个钉的轴向变形。通过建立载荷位移曲线，其斜率即为A板第j个钉对应的轴向刚度
第六步：得到结构钉载大小和分布情况
将结构参数库中的值带入以上公示中，就能得到温度引起的混合结构机械连接件钉载。
下面，以图2形式的复合材料-铝合金五排单列单搭接连接件为算例，说明该公式在计算温度引起的混合结构机械连接件钉载中的应用。
首先，建立结构参数库，设定复合材料为A板，铝合金为B板，该结构材料尺寸参数包括：WA＝WB＝28mm，tA＝3.36mm，tB＝3mm，孔径D＝6mm。材料参数如表1、表2和表3所示，其中紧固件选用30CrMnSiA，复合材料板铺层形式为[+45/-45/0/0-45/0/90/+45/0/-45/0/90+45/0]s。温度由21℃增加到74℃，ΔTA＝ΔTB＝53℃。
表1复合材料的材料属性
表2铝材的材料属性
E/GPa μ α(10-6K-1)
71 0.3 23
表3 30CrMnSiA的材料属性
E/GPa μ α(10-6K-1)
210 0.3 8.8
将n＝5代入公式(3)，得到该结构的变形协调方程，推导可得矩阵形式的钉载计算公式。
下面，对公式中参数进行求解，对于复合材料板，通过经典层和板理论，可得沿拉伸方向的弹性模量EA＝66.25GPa，代入公式(9)，可得：
在建立的有限元单剪螺栓连接模型中，输入相关参数，得到载荷变形关系，曲线斜率为剪切刚度为KD，其大小为：
KD＝28.52(kN/mm) (11)
本实施例中，αB为铝材的热膨胀系数，值为20.9(10-6K-1)；αA为复合材料层合板的热膨胀系数，通过复合材料单层热膨胀参数进行推导，计算得到其值为-0.239(10-6K-1)。
这样，就得到了计算温度引起的混合结构机械连接件钉载的公式(8)中所有的参数，代入公式(8)，可得螺钉载荷分布情况如表4所示。
表4复合材料-铝合金五排单列单搭接连接件温度场下的钉载分布
至此得到复合材料-铝合金五排单列单搭接连接件温度场下的钉载分布情况，可以看出载荷呈现出两边高，中间低的“U”型分布，这也和有关文献中的结论一致。
最后需要指出，以上实施例仅说明本发明的实施技术方案而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术放案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种混合结构机械连接件钉载获取方法，其特征在于，所述混合结构机械连接件包括采用n个钉连接的A板和B板；所述方法包括：
获取所述连接件中板的材料热膨胀系数；
根据所述板的材料热膨胀系数，采用公式P＝C-1A，获取每个钉承受的载荷P1、P2、…、Pn；
其中，P＝[P1 P2 P3…Pi…Pn]T，
αA与αB分别为A板和B板的的材料热膨胀系数；ΔTA与ΔTB分别为A板和B板的的温度变化值；KD为钉的剪切刚度；为A板上第j个钉的单位载荷引起A板上第i个钉和第i+1个钉之间的轴向变形；/>为B板上第j个钉的单位载荷引起B板上第i个钉和i+1个钉之间的轴向变形；/>为A板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距，/>为B板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距；j<＝i，1<＝i<＝n-1，i，j和n均为整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述连接件中板的弹性模量、结构尺寸，以及钉的弹性模量、结构尺寸；
根据板的弹性模量、结构尺寸，获取和/>
根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，获取KD。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取KD，包括：
根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，采用有限元分析方法，获取KD。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取和/>包括：
根据板的弹性模量、结构尺寸，采用如下公式，获取和/>
其中，EA和EB分别为A板和B板的弹性模量；WA和WB分别为A板和B板的宽度；tA和tB分别为A板和B板的厚度。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述连接件为壁板结构时，所述获取包括：
建立A板的有限元分析模型，向A板上的第j钉对应的孔施加不同的螺钉载荷，获取各载荷对应的A板上的第i个钉和第i+1个钉的轴向变形；
根据各载荷对应的轴向变形，获取载荷位移曲线；
获取载荷位移曲线的斜率，作为
6.一种混合结构机械连接件钉载获取装置，其特征在于，所述混合结构机械连接件包括采用n个钉连接的A板和B板；所述装置包括：
参数获取模块，用于获取所述连接件中板的材料热膨胀系数；
钉载获取模块，用于根据所述板的材料热膨胀系数，采用公式P＝C-1A，获取每个钉承受的载荷P1、P2、…、Pn；
其中，P＝[P1 P2 P3…Pi…Pn]T，
αA与αB分别为A板和B板的的材料热膨胀系数；ΔTA与ΔTB分别为A板和B板的的温度变化值；KD为钉的剪切刚度；为A板上第j个钉的单位载荷引起A板上第i个钉和第i+1个钉之间的轴向变形；/>为B板上第j个钉的单位载荷引起B板上第i个钉和i+1个钉之间的轴向变形；/>为A板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距，/>为B板上第i个钉和第i+1个钉之间的间距；j<＝i，1<＝i<＝n-1，i，j和n均为整数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：轴向刚度获取模块；
参数获取模块还用于，获取所述连接件中板的弹性模量、结构尺寸，以及钉的弹性模量、结构尺寸；
轴向刚度获取模块用于，根据板的弹性模量、结构尺寸，获取和/>根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，获取KD。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述轴向刚度获取模块具体用于，根据板的弹性模量、结构尺寸以及钉的弹性模量、结构尺寸，采用有限元分析方法，获取KD。
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