CN112231864A - 一种复合材料钉载快速分析系统 - Google Patents

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王东
王文智
李冰
赵美英
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Abstract

本发明涉及复合材料机械连接结构载荷计算技术领域，具体涉及一种复合材料钉载快速分析系统，该系统直接调用PATRAN根据用户录入的结构几何参数、材料参数、属性参数、载荷参数等进行建模，调用NASTRAN进行计算，即可获取各个钉的载荷大小和分配比例。本发明可以快速计算出复合材料钉接结构载荷分配比例，免去了复杂的建模及分析过程，同时改进了机械连接的二维建模方法，提高计算准确度且大大节省了建模时间。

Description

一种复合材料钉载快速分析系统
技术领域
本发明涉及复合材料机械连接结构载荷计算技术领域，具体涉及一种复合材料钉载快速分析系统。
背景技术
复合材料层合板因其较高的比强度、比刚度、耐腐蚀性等特点，已经越来越多地应用于飞机结构之中。这就使得复合材料结构件及其与金属结构件之间存在大量的机械连接。其中螺栓连接由于具有承受载荷较高、装卸方便且十分可靠等优点已成为最主要的一种机械连接方式。由于存在孔边应力集中且传递载荷较大，复合材料螺栓连接部位成了结构中最薄弱的环节，容易发生破坏。因此分析复合材料连接结构处的载荷分配，对飞机结构设计、提高整体结构的安全性和经济性具有重要意义。
通常情况下，分析复合材料钉接结构载荷大小和分配问题时，需要先建立模型，再进行设置参数、划分网格并提交计算。在结构初始设计阶段，采用传统的分析过程往往比较繁琐，尤其是研究者在设计具有一定钉载分配比例的结构时，往往会花费大量的时间且不一定能得到满意的结果。
常用的复合材料钉接结构载荷分配分析方法有解析法和有限元方法。解析法是基于孔边应力分析发展起来的，其具有计算简单等特点，但解析法对结构往往简化程度较大，不适宜进行复杂情况下的载荷分析。有限元方法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状。
传统手工可视化建模时，需要逐步建立模型、设置参数、划分网格、提交计算等过程。当需要处理的模型数量较多时往往会有很大的工作量，且由于人为因素不可避免地会出现一些误操作，这必然会影响计算的精确度。相比较而言，参数化建模具有快、准的特点。即其建模速度比传统建模快上几十倍甚至几百倍的时间，接触不太复杂的模型基本都是在一分钟内完成，可见其大大缩短了建模时间。同时，参数化建模还可以实现手工建模不易实现的操作。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种复合材料钉载快速分析系统，可以快速计算出复合材料钉接结构载荷分配比例，免去了复杂的建模及分析过程，同时改进了机械连接的二维建模方法，提高计算准确度且大大节省了建模时间。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种复合材料钉载快速分析系统，该系统直接调用PATRAN根据用户录入的结构几何参数、材料参数、属性参数、载荷参数等进行建模，调用NASTRAN进行计算，即可获取各个钉的载荷大小和分配比例。
进一步地，所述结构几何参数包括复合材料板几何参数、搭接板几何参数和孔几何参数；孔几何参数包括孔的位置和大小；当孔整齐排列为列阵时，只需输入各行的X坐标以及各列的Y坐标即能确定；当孔排列为花形时，需先确定孔扩展为列阵排列的几何位置，再根据孔的ID号删除不需要的孔；建模时先画出扩展孔阵的坐标示意图，再根据用户的需要删除废弃孔；孔径的大小可根据各孔ID分别定义，在定义孔直径时应注意：在孔阵(整齐排列)或扩展孔阵(花形排列)中取任意相邻两行(列)中各自的最大孔，两孔的半径之和应小于其行(列)间距，否则模型无法建立。
进一步地，默认孔位置处于复合材料板左端，以复合材料板最左下角为原点来定义复材板中孔的位置，复合材料板的长度分为多个不同的区间，以应对板的厚度不同的情形，各个孔的位置通过输入各行的X坐标和各列的Y坐标来确定。
进一步地，搭接板的划分为不同的区域，默认孔的位置位于其右端，由于各孔之间的相对位置一定，且在复材板中已经确定，只需定义搭接板一个孔的边距和端距即可确定搭接板上各孔的位置，本发明以孔阵中最右下角的孔为基准定义。
进一步地，所述材料参数包括各向同性材料的材料参数和，2D各向异性材料的材料参数，各向同性材料的材料参数仅需E11、V12，2D各向异性材料的材料参数包含了E11、E12、V12、G12。
进一步地，属性参数包括层合板属性、金属壳属性和金属梁属性，层合板属性包括单层板的方向、厚度以及在所建立的2D各向异性材料的名称，用户可根据需求建立不同的层合板，该属性可以赋给复材板或者搭接板；金属壳属性包括壳材料以及壳厚度，壳的材料为已建立的各向同性材料，该属性可以赋给搭接板；金属梁属性包括梁材料和梁直径，梁的材料为已建立的各向同性材料，该属性仅能赋给钉。
进一步地，所述载荷参数的载荷的形式可以分为纯拉载荷、纯剪载荷以及拉剪混合载荷，每种载荷形式都有两种加载方式：位移载荷、力载荷，载荷大小由用户根据需要自行设定。
本发明具有以下有益效果：
可应用于对复合材料机械连接结构(单钉、任意形式排列的多钉)进行参数化建模及钉载快速计算，操作简易通用，具有较强的工程实用性。和传统手工可视化建模方法相比，本发明可以快速计算出复合材料钉接结构载荷分配比例，免去了复杂的手工建模及分析过程，同时改进了机械连接的二维建模方法，提高计算准确度且大大节省了建模时间。
附图说明
图1为本发明实施例一种复合材料钉载快速分析系统的工作流程图。
图2为本发明实施例中复合材料板上孔的布置方式示意图。
图3为本发明实施例中搭接板上孔的布置方式示意图。
图4为定义花排孔坐标示意图。
图5为搭接板花形排列时的模型示意图。
图6为本发明实施例中步骤(1)的示意图。
图7为本发明实施例中复合材料板参数的示意图。
图8为本发明实施例中复合材料板上孔的个数及X坐标、Y坐标示意图。
图9为本发明实施例中复合材料板上孔的直径。
图10为本发明实施例中完成建模的复合材料板。
图11为本发明实施例中步骤(3)的示意图。
图12为本发明实施例中复材板的材料参数的示意图。
图13为本发明实施例中复材板单元属性示意图。
图14为本发明实施例中复材板元件属性示意图。
图15为本发明实施例中步骤(7)的示意图。
图16为本发明实施例中步骤(8)的示意图。
图17为本发明实施例中的表格结果。
图18为本发明实施例中的柱形图结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的一种复合材料钉载快速分析系统，通过编程实现参数化建模分析，可直接调用PATRAN根据用户录入的结构几何参数、材料参数、属性参数、载荷参数等进行建模，调用NASTRAN进行计算，即可获取各个钉的载荷大小和分配比例；适用于复合材料层合板与搭接板单搭、双搭接，搭接孔的数量及大小可自由设置。用户只需输入结构几何参数、材料参数、属性参数、载荷参数等，然后提交计算便可得到钉载分配结果，整个过程流程图如附图1所示。各部分参数设置说明如下：
1、几何参数
(1)复合材料板几何参数
在本发明中，默认的是孔位置处于复材板左端，以复材板最左下角为原点来定义复材板中孔的位置，如附图2所示，板的长度可以分为多个不同的区间，以应对板的厚度不同的情形，各个孔的位置通过输入各行的X坐标和各列的Y坐标来确定。
(2)搭接板几何参数
搭接板的定义与复材板类似，可以划分为不同的区域，但本发明默认孔的位置位于其右端，如附图3所示。由于各孔之间的相对位置一定，且在复材板中已经确定，只需定义搭接板一个孔的边距和端距即可确定搭接板上各孔的位置，本发明以孔阵中最右下角的孔为基准定义。
(3)孔几何参数
孔几何参数包括孔的位置和大小。当孔整齐排列为列阵时，只需输入各行的X坐标以及各列的Y坐标即能确定；当孔排列为花形时，需先确定孔扩展为列阵排列的几何位置，再根据孔的ID号删除不需要的孔。建模时先画出扩展孔阵的坐标示意图，再根据用户的需要删除废弃孔。
图4为定义花排孔坐标示意图，红色十字为需要删除的扩展孔编号，黑色十字为所需花排孔的位置。搭接板中花排的位置以花排的扩展孔阵来确定。
孔径的大小可根据各孔ID分别定义，在定义孔直径时应注意：在孔阵(整齐排列)或扩展孔阵(花形排列)中取任意相邻两行(列)中各自的最大孔，两孔的半径之和应小于其行(列)间距，否则模型无法建立。图5为搭接板花形排列时的模型。
2、材料参数
本发明中的材料分为各向同性材料、2D各向异性材料和3D各向异性材料，由于在PATRAN中建立的是二维模型，故只需要各向同性材料和2D各向异性材料即可。各向同性材料的材料参数仅需E11、V12，2D各向异性材料主要用于建立层合板，材料参数包含了E11、E12、V12、G12。
3、属性参数
本发明中的属性分为层合板、金属壳和金属梁，不同的分区可赋予不同的属性。层合板属性包括单层板的方向、厚度以及在所建立的2D各向异性材料的名称，用户可根据需求建立不同的层合板，该属性可以赋给复材板或者搭接板。金属壳属性包括壳材料以及壳厚度，壳的材料为已建立的各向同性材料，该属性可以赋给搭接板。金属梁属性包括梁材料和梁直径，梁的材料为已建立的各向同性材料，该属性仅能赋给钉。注意输入的梁直径的值应合理，以保证与对应的孔合理配合。
4、载荷参数
本发明载荷的形式可以分为纯拉载荷、纯剪载荷以及拉剪混合载荷，每种载荷形式都有两种加载方式：位移载荷、力载荷。载荷大小由用户根据需要自行设定。
实施例
(1)新建一个名为“110”的数据文件，如附图6所示；
(2)输入复合材料板参数。宽度和各区域长度等如附图7所示，设置孔的个数及X坐标、Y坐标如附图8所示，设置各个孔的直径如附图9所示，完成建模的复材板如附图10所示；
(3)选择搭接类型，输入搭接板边距、端距等参数，如附图11所示；
(4)建立复材板、搭接板、螺钉等的材料参数，复材板材料参数如附图12所示；
(5)建立各区域复材板属性、金属板属性、梁单元属性等参数，复材板单元属性如附图13所示；
(6)将前一步建立的单元属性分别赋予复材板、搭接板、螺钉等元件，复材板元件属性如附图14所示；
(7)选择载荷方式、施加载荷，如附图15所示；
(8)提交数据并计算，如附图16所示；
(9)查看计算结果。表格结果如附图17所示，柱形图结果如附图18所示。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种复合材料钉载快速分析系统，其特征在于：该系统直接调用PATRAN根据用户录入的结构几何参数、材料参数、属性参数、载荷参数进行建模，调用NASTRAN进行计算，即可获取各个钉的载荷大小和分配比例。
2.如权利要求1所述的一种复合材料钉载快速分析系统，其特征在于：所述结构几何参数包括复合材料板几何参数、搭接板几何参数和孔几何参数；孔几何参数包括孔的位置和大小；当孔整齐排列为列阵时，只需输入各行的X坐标以及各列的Y坐标即能确定；当孔排列为花形时，需先确定孔扩展为列阵排列的几何位置，再根据孔的ID号删除不需要的孔；建模时先画出扩展孔阵的坐标示意图，再根据用户的需要删除废弃孔；孔径的大小可根据各孔ID分别定义，在定义孔直径时应注意：在孔阵(整齐排列)或扩展孔阵(花形排列)中取任意相邻两行(列)中各自的最大孔，两孔的半径之和应小于其行(列)间距，否则模型无法建立。
3.如权利要求1所述的一种复合材料钉载快速分析系统，其特征在于：默认孔位置处于复合材料板左端，以复合材料板最左下角为原点来定义复材板中孔的位置，复合材料板的长度分为多个不同的区间，以应对板的厚度不同的情形，各个孔的位置通过输入各行的X坐标和各列的Y坐标来确定。
4.如权利要求1所述的一种复合材料钉载快速分析系统，其特征在于：搭接板的划分为不同的区域，默认孔的位置位于其右端，由于各孔之间的相对位置一定，且在复材板中已经确定，只需定义搭接板一个孔的边距和端距即可确定搭接板上各孔的位置。
5.如权利要求1所述的一种复合材料钉载快速分析系统，其特征在于：所述材料参数包括各向同性材料的材料参数和，2D各向异性材料的材料参数，各向同性材料的材料参数仅需E11、V12，2D各向异性材料的材料参数包含了E11、E12、V12、G12。
6.如权利要求1所述的一种复合材料钉载快速分析系统，其特征在于：属性参数包括层合板属性、金属壳属性和金属梁属性，层合板属性包括单层板的方向、厚度以及在所建立的2D各向异性材料的名称，用户可根据需求建立不同的层合板，该属性可以赋给复材板或者搭接板；金属壳属性包括壳材料以及壳厚度，壳的材料为已建立的各向同性材料，该属性可以赋给搭接板；金属梁属性包括梁材料和梁直径，梁的材料为已建立的各向同性材料，该属性仅能赋给钉。
7.如权利要求1所述的一种复合材料钉载快速分析系统，其特征在于：所述载荷参数的载荷的形式可以分为纯拉载荷、纯剪载荷以及拉剪混合载荷，每种载荷形式都有两种加载方式：位移载荷、力载荷，载荷大小由用户根据需要自行设定。
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