CN112231858B - 一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法和装置，解决现有仿真技术针对性差的技术问题。方法包括：建立复合材料筒体结构三维实体模型；建立三维实体模型的全局有限元模型，形成全局仿真过程和全局仿真结果；建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型；利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果。提升了复合材料筒体多排螺栓连接结构的失效预测准确性，为复合材料筒多排螺接结构优化设计提供应力/应变精细化分析手段。通过全局仿真结果建立多排螺栓连接结构仿真的整体限定边界，利用多排螺栓连接仿真的精细网格和小颗粒实体单元形成精细仿真过程，有效均衡仿真效率和仿真结果的高度准确性。

Description

一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法和装置
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，具体涉及一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法和装置。
背景技术
在航天领域中复合材料得到了广泛应用。复合材料形成的筒类结构中形成的多排螺接是适应设计、工艺、成本和使用维护等需求的的必要结构设计。
复合材料筒体多排螺接结构的受载和破坏形式复杂，仿真建模过程中存在接触面多、网格量大的特点。目前传统的失效预测仿真方法存在建模工作量大、仿真收敛困难、计算精度差等问题，不能直接利用。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法和装置，解决现有仿真技术针对性差的技术问题。
本发明实施例的复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法，包括：
建立复合材料筒体结构三维实体模型；
建立三维实体模型的全局有限元模型，形成全局仿真过程和全局仿真结果；
建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型；
利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果。
本发明实施例的复合材料筒体多排螺接结构的失效预测装置，包括：
存储器，用于存储如上述的失效预测方法中处理过程对应的程序代码；
处理器，用于执行所述程序代码。
本发明实施例的复合材料筒体多排螺接结构的失效预测装置，包括：
全局建模模块，用于建立复合材料筒体结构三维实体模型；
全局仿真模块，用于建立三维实体模型的全局有限元模型，形成全局仿真过程和全局仿真结果；
局部建模模块，用于建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型；
局部仿真模块，用于利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果。
本发明实施例的复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法和装置提升了复合材料筒体多排螺栓连接结构的失效预测准确性，为复合材料筒多排螺接结构优化设计提供应力/应变精细化分析手段。通过全局仿真结果建立多排螺栓连接结构仿真的整体限定边界，利用多排螺栓连接仿真的精细网格和小颗粒实体单元形成精细仿真过程，有效均衡了仿真效率和仿真结果的高度准确性。
附图说明
图1所示为本发明一实施例复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法的架构示意图。
图2所示为本发明一实施例复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法的流程示意图。
图3所示为本发明一实施例利用复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法进行失效预测仿真的一种圆筒吊装结构的三维实体模型。
图4所示为本发明一实施例进行失效预测仿真的一种圆筒吊装结构模型的多排螺栓连接结构三维实体模型的剖面示意图。
图5所示为本发明一实施例进行失效预测仿真的一种圆筒吊装结构三维实体模型形成的可视化全局简化有限元模型。
图6所示为本发明一实施例进行失效预测仿真的一种圆筒吊装结构三维实体模型形成的可视化多排螺栓连接结构有限元模型。
图7所示为本发明一实施例复合材料筒体多排螺接结构的失效预测装置的架构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法如图1所示。在图1中，本实施例包括：
步骤100：建立复合材料筒体结构三维实体模型。
本领域技术人员可以理解，三维实体模型建模可以在建模过程中体现结构设计中部件的确定材质、准确尺寸和相对位置，精确表达涉及筒体结构和多排螺接结构的结构特征和装配特征。
步骤200：建立三维实体模型的全局有限元模型，形成全局仿真过程和全局仿真结果。
针对三维实体模型的全局装配特征进行有限元模型建立，根据全局装配特征进行全局仿真，获得仿真过程的各种定性和定量的仿真结果。本领域技术人员可以理解，具体的有限元仿真过程工具可以采用Abaqus技术。
步骤300：建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型。
针对三维实体模型的多排螺接组成结构间的装配特征进行有限元模型建立，并建立组成结构间部件、材料的基本装配特征，建立多排螺栓连接的仿真处理基本模型。本领域技术人员可以理解，具体的有限元仿真过程工具可以采用Abaqus技术。
步骤400：利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果。
全局仿真结果形成的定性和定量的仿真结果数据作为多排螺栓连接的仿真处理基本模型中各部件的边界限定参数、限定条件，以及各部件间的仿真过程边界条件，为多排螺栓连接的局部仿真过程提供匹配全局装配特征的仿真过程限定。
本发明实施例的失效预测方法提升了复合材料筒体多排螺栓连接结构的失效预测准确性，为复合材料筒多排螺接结构优化设计提供应力/应变精细化分析手段。通过全局仿真结果建立多排螺栓连接结构仿真的整体限定边界，利用多排螺栓连接仿真的精细网格和小颗粒实体单元形成精细仿真过程，有效均衡了仿真效率和仿真结果的高度准确性。
本发明一实施例复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法如图2所示。在图2中，本实施例中步骤100包括：
步骤110：建模复合材料筒体结构和复合材料属性。
本领域技术人员可以理解，建模是指立体结构建模，同时是根据结构对象进行对象属性的映射和设置。复合材料形成的结构可以包括复合材料组成层、组分、厚度、密度等物理属性的映射装配复合材料筒体结构和多排螺接结构形成三维实体模型和设置
步骤120：建模多排螺接结构和材料属性。
步骤130：装配复合材料筒体结构和多排螺接结构形成三维实体模型。
本领域技术人员可以理解，建模存在模型各组成部件间的合理和准确的配合结构或装配结构。
本发明实施例的失效预测方法将建模参数与仿真过程的模型参数配置融合形成在真实模型中有限元模型仿真参数的合理规划和准确标定。
如图2所示，在本发明一实施例中，步骤200包括：
步骤210：根据三维实体模型消除非关键承载区。
非关键承载区包括但不限于倒角、圆角、散热翅片等组成部分。
步骤220：根据三维实体模型消除非必要连接部件。
非必要连接部件包括但不限于与其他独立部件相互配合或装配时的连接部件。
步骤230：根据三维实体模型进行网格划分和实体单元划分。
本领域技术人员可以理解，网格划分包括形状和密度，实体单元包括实体单元、壳单元、膜单元、离散刚体单元、梁单元、桁架单元等。
步骤240：根据网格和实体单元形成全局简化有限元模型。
步骤250：设置全局简化有限元模型的载荷和边界条件。
本领域技术人员可以理解，载荷包括载荷位置变化数据、质量变化数据等，边界条件包括接触方式、振荡方式等。
步骤260：根据材料特征定义失效准则。
步骤270：根据失效准则、载荷和边界条件对全局简化有限元模型进行仿真计算，获取包括多排螺接结构的局部全局仿真结果。
包括多排螺接结构的局部全局仿真结果，根据全局仿真结果形成，作为全局仿真结果的数据子集，包括多排螺接结构的仿真结果。
本发明实施例的失效预测方法合理设置仿真过程精度获得全局仿真结果保证仿真整体可靠性的同时，平衡了整体模型关键多排螺接结构的仿真精度和整体仿真精度。
如图2所示，在本发明一实施例中，步骤300包括：
步骤310：针对多排螺栓连接结构确定非必要连接部件。
步骤320：针对多排螺栓连接结构和非必要连接部件进行网格划分和实体单元划分。
步骤330：根据网格和实体单元形成多排螺栓连接结构有限元模型。
本发明实施例的失效预测方法利用子模型技术形成高精度的多排螺栓连接结构有限元模型，保持与全局简化有限元模型的数据兼容性。
如图2所示，在本发明一实施例中，步骤400包括：
步骤410：根据局部全局仿真结果设置多排螺栓连接结构有限元模型的载荷和边界条件。
步骤420：根据材料特征定义失效准则。
步骤430：根据失效准则、载荷和边界条件对多排螺栓连接结构有限元模型进行仿真计算，获取多排螺接结构的仿真结果。
本发明实施例的失效预测方法将全局仿真结果数据作为局部确定结构的边界数据形成局部确定结构的精确边界条件，使得局部确定结构的仿真可以保证针对性仿真准确度，提升针对复合材料筒体的关键多排螺接结构的仿真准确性。
本发明一实施例多排螺接结构的失效预测方法针对的复合材料筒体如图3所示。。复合材料筒体的剖视结构图4所示。根据失效预测方法形成的复合材料筒体的全局简化有限元模型如图5所示。根据失效预测方法形成的复合材料筒体的多排螺栓连接结构有限元模型如图6所示。结合图3至图6所示，复合材料筒体的多排螺接结构的失效预测包括：
1)建立复合材料圆筒吊装结构的三维实体模型，-包括复合材料筒体1和多排螺接结构2。其中，复合材料筒体1包括碳纤维蒙皮3、碳纤维筒体4和轻质夹层泡沫5，复合材料筒体包括玻璃钢补强块6、金属吊耳7和吊耳连接螺栓8
2)建立筒体吊装结构全局有限元简化模型。根据圆筒结构特点和多排螺接结构的吊装使用工况建立全局简化有限元模型。对模型进行简化，去掉筒体非关键承载区倒角和圆角，不考虑吊耳连接螺栓8，其中碳纤维蒙皮3和碳纤维筒体4采用缩减积分实体壳单元SC8R进行网格划分，轻质夹层泡沫5、金属吊耳(7)采用缩减积分实体单元C3D8R进行划分；
3)设置全局简化有限元模型载荷和边界条件，金属吊耳7与复合材料筒体1采用Tie接触方式；
4)定义复合材料Hashin失效准则，提交仿真计算，保存多排螺栓连接结构边界附近分析结果作为局部全局仿真结果。其中，Hashin失效准则如下表：
表1 Hashin失效准则
可以通过在Abaqus场输出变量中输入关键字“HSNFCCRT”、“HSNFTCRT”、“HSNMCCRT”和“HSNMTCRT”设定。
5)采用子模型技术，建立多排螺栓连接结构有限元模型，考虑吊耳连接螺栓8等细节。其中，吊耳连接螺栓8采用实体缩减积分单元C3D8R进行网格划分。
6)金属吊耳7、螺栓8与筒体1界面之间采用可分离接触进行定义，模拟实际钉载传递和孔边挤压过程；读取局部全局仿真结果，设置子模型边界条件；
7)定义复合材料Hashin失效准则，提交计算，检查分析结果。
本发明一实施例复合材料筒体多排螺接结构的失效预测装置，包括：
存储器，用于存储上述失效预测方法中处理过程对应的程序代码；
处理器，用于执行上述失效预测方法中处理过程对应的程序代码。
处理器可以采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。
本发明一实施例复合材料筒体多排螺接结构的失效预测装置如图7所示。在图7中，本实施例包括：
全局建模模块10，用于建立复合材料筒体结构三维实体模型；
全局仿真模块20，用于建立三维实体模型的全局有限元模型，形成全局仿真过程和全局仿真结果；
局部建模模块30，用于建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型；
局部仿真模块40，用于利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果。
如图7所示，在本发明一实施例中，全局建模模块10包括：
主体建模模块11，用于建模复合材料筒体结构和复合材料属性；
局部建模模块12，用于建模多排螺接结构和材料属性；
整体建模模块13，用于装配复合材料筒体结构和多排螺接结构形成三维实体模型。
如图7所示，在本发明一实施例中，全局仿真模块20包括：
第一消除模块21，用于根据三维实体模型消除非关键承载区；
第二消除模块22，用于根据三维实体模型消除非必要连接部件；
第一划分模块23，用于根据三维实体模型进行网格划分和实体单元划分；
全局模型模块24，用于根据网格和实体单元形成全局简化有限元模型；
第一边界模块25，用于设置全局简化有限元模型的载荷和边界条件；
第一定义模块26，用于根据材料特征定义失效准则；
全局仿真模块27，用于根据失效准则、载荷和边界条件对全局简化有限元模型进行仿真计算，获取包括多排螺接结构的局部全局仿真结果。
如图7所示，在本发明一实施例中，局部建模模块30包括：
关联确定模块31，用于针对多排螺栓连接结构确定非必要连接部件；
第二划分模块32，用于针对多排螺栓连接结构和非必要连接部件进行网格划分和实体单元划分；
局部模型模块33，用于根据网格和实体单元形成多排螺栓连接结构有限元模型。
如图7所示，在本发明一实施例中，局部仿真模块40包括：
仿真衔接模块41，用于根据局部全局仿真结果设置多排螺栓连接结构有限元模型的载荷和边界条件；
第二定义模块42，用于根据材料特征定义失效准则；
局部仿真模块43，用于根据失效准则、载荷和边界条件对多排螺栓连接结构有限元模型进行仿真计算，获取多排螺接结构的仿真结果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测方法，其特征在于，包括：
建立复合材料筒体结构三维实体模型；
建立三维实体模型的全局有限元模型，形成全局仿真过程和全局仿真结果，包括：
根据三维实体模型消除非关键承载区；
根据三维实体模型消除非必要连接部件；
根据三维实体模型进行网格划分和实体单元划分；
根据网格和实体单元形成全局简化有限元模型；
设置全局简化有限元模型的载荷和边界条件；
根据材料特征定义失效准则；
根据失效准则、载荷和边界条件对全局简化有限元模型进行仿真计算，获取包括多排螺接结构的局部全局仿真结果；
建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型；
利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果。
2.如权利要求1所述的失效预测方法，其特征在于，所述建立复合材料筒体结构三维实体模型包括：
建模复合材料筒体结构和复合材料属性；
建模多排螺接结构和材料属性；
装配复合材料筒体结构和多排螺接结构形成三维实体模型。
3.如权利要求1所述的失效预测方法，其特征在于，所述建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型包括：
针对多排螺栓连接结构确定非必要连接部件；
针对多排螺栓连接结构和非必要连接部件进行网格划分和实体单元划分；
根据网格和实体单元形成多排螺栓连接结构有限元模型。
4.如权利要求1所述的失效预测方法，其特征在于，所述利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果包括：
根据局部全局仿真结果设置多排螺栓连接结构有限元模型的载荷和边界条件；
根据材料特征定义失效准则；
根据失效准则、载荷和边界条件对多排螺栓连接结构有限元模型进行仿真计算，获取多排螺接结构的仿真结果。
5.如权利要求1所述的失效预测方法，其特征在于，所述仿真过程采用Abaqus技术。
6.如权利要求1所述的失效预测方法，其特征在于，所述仿真过程采用Hashin失效准则。
7.一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储如权利要求1至6任一所述的失效预测方法中处理过程对应的程序代码；
处理器，用于执行所述程序代码。
8.一种复合材料筒体多排螺接结构的失效预测装置，其特征在于，包括：
全局建模模块，用于建立复合材料筒体结构三维实体模型；
全局仿真模块，用于建立三维实体模型的全局有限元模型，形成全局仿真过程和全局仿真结果；所述全局仿真模块包括：
第一消除模块，用于根据三维实体模型消除非关键承载区；
第二消除模块，用于根据三维实体模型消除非必要连接部件；
第一划分模块，用于根据三维实体模型进行网格划分和实体单元划分；
全局模型模块，用于根据网格和实体单元形成全局简化有限元模型；
第一边界模块，用于设置全局简化有限元模型的载荷和边界条件；
第一定义模块，用于根据材料特征定义失效准则；
全局仿真模块，用于根据失效准则、载荷和边界条件对全局简化有限元模型进行仿真计算，获取包括多排螺接结构的局部全局仿真结果；
局部建模模块，用于建立三维实体模型的多排螺栓连接结构有限元模型；局部仿真模块，用于利用全局仿真结果进行多排螺栓连接仿真过程限定，形成多排螺栓连接仿真结果。
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