CN112347686A - 一种仪器安装结构的螺栓校核方法 - Google Patents

一种仪器安装结构的螺栓校核方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仪器安装结构的螺栓校核方法，包括：对已有飞行器仪器安装结构螺栓校核方式进行整合，确定传统螺栓校核方法；选取一种典型飞行器仪器安装结构的螺栓连接方式；确定待验证螺栓校核方法；分别采用传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法建立有限元分析模型，对选取的典型飞行器仪器安装结构的螺栓连接方式进行螺栓校核；对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，对待验证螺栓校核方法的全面性和可靠性进行验证。本发明既可以提高仪器安装结构中螺栓校核的工作效率，又可以保证其可靠性、全面性。

Description

一种仪器安装结构的螺栓校核方法
技术领域
本发明属于螺栓校核技术领域，尤其涉及一种仪器安装结构的螺栓校核方法。
背景技术
随着飞行器设计要求的日益提高，且服役环境异常严酷，由于复合材料评价高比强度、高比刚度、耐疲劳、抗腐蚀等优点，在现代飞行器结构的设计与制造中得到了广泛应用，复合材料结构的可设计性为设计人员提供了更为广阔的设计空间，而飞行器仪器安装结构由于结构复杂，需求精度高，需要将金属材料与复合材料充分结合在一起，而将这二者结合在一起的螺栓则起到了桥梁的作用，这个“桥梁”的强度、刚度就需要去充分的校核。但是由于仪器安装结构中螺栓数量十分庞大，在强度分析中需要耗费大量时间，极大的影响了工作效率，因此如何提高仪器安装结构中螺栓校核的效率，并且保证其强度分析的可靠性，全面性便显得尤为重要。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种仪器安装结构的螺栓校核方法，既可以提高仪器安装结构中螺栓校核的工作效率，又可以保证其可靠性、全面性。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种仪器安装结构的螺栓校核方法，包括：
对已有飞行器仪器安装结构螺栓校核方式进行整合，确定传统螺栓校核方法；
选取一种典型飞行器仪器安装结构的螺栓连接方式；
确定待验证螺栓校核方法；
分别采用传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法建立有限元分析模型，对选取的典型飞行器仪器安装结构的螺栓连接方式进行螺栓校核；
对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，对待验证螺栓校核方法的全面性和可靠性进行验证。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，在建立有限元分析模型时，根据选取的典型飞行器仪器安装结构的材料，选择不同的有限元单元形式。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，还包括：若确认待验证螺栓校核方法的全面性和可靠性合格，则将待验证螺栓校核方法更新至系统中进行二次开发，从而完成仪器安装结构螺栓的批量化校核。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，在根据传统螺栓校核方法建立的有限元分析模型中，先是根据数模中螺栓位置建立一维梁单元，之后将一维梁单元两端分别与结构用CBar或RBE2单元进行连接，采用上述方式建立的有限元模型只可以对螺栓连接型接头及螺栓连接型接头的螺栓进行强度校核，无法对胶接连接型接头及胶接连接型接头的螺栓进行强度校核，并且螺栓周边结构存在应力集中现象，会造成强度校核失真，需要对螺栓周边出现应力集中的结构进行进一步分析。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，在根据传统螺栓校核方法建立的有限元分析模型时，使用的公式如下：
根据Weaver和Johnston公式，将横向位移分布表示成节点的横向位移分布与斜率的形式，得到位移函数ω(x)：
Figure BDA0002807988170000031
其中，W1和W2分别表示两端节点处与时间相关的位移；Wx1和Wx2分别表示两端节点处与时间相关的斜率；位移与斜率在单元边界处上均连续；x表示螺栓上的点在X轴上的位置，L表示螺栓的长度；
将位移函数ω(x)代入单元并在单元上进行积分，再代入拉格朗日方程，可得梁单元的运动方程：
Figure BDA0002807988170000032
其中，ρ表示梁单元的密度，A表示梁单元的截面积，EI表示梁单元的刚度，fz表示梁单元在Z方向的单位力，P1表示梁单元在X方向上的合力，P2表示梁单元在Y方向上的合力，Mz1表示梁单元在Z1方向上的合力，Mz2表示梁单元在Z2方向上的合力。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，在根据待验证螺栓校核方法建立有限元分析模型中，根据三维数模中螺栓轴线进行定位，根据数模中螺栓位置建立一维梁单元，之后将一维梁单元两端分别与结构用CWeld单元进行连接，且两端连接单元考虑螺栓周边结构的结构属性。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，在根据待验证螺栓校核方法建立有限元分析模型时，使用的公式如下：
轴向位移矩阵u(x)表达式：
Figure BDA0002807988170000041
其中，U1、U2分别表示表两端节点处与时间相关的节点位移；
轴向位移矩阵u(x)在单元上积分，得到：
Figure BDA0002807988170000042
其中，E表示杨氏模量；
将式(4)代入拉格朗日方程，可得：
Figure BDA0002807988170000043
其中，fx表示梁单元在Z方向的单位力，Fx1和Fx2表示分别施加在两端节点上的合力。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，包括：
对于CWeld连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CWeld连接器，设置螺栓连接直径和材料属性，进行自由模态分析；
对于CBar连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CBar单元，CBar单元的两侧用RBE2与试片绑定，进行自由模态分析；
对于RBE2连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立RBE2，主节点在两个试片的中心位置，从节点分别绑定金属和复合材料试片，进行自由模态分析；
对于共节点设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片设置Y负向的偏移量1.6mm，复合材料试片设置Y正向的偏移量1.6mm，进行自由模态分析；
对于共节点不设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片和复合材料试片均不设置偏移量，中性面处于同一平面内，进行自由模态分析；
对于实体壳开孔混合建模方式，根据钉线位置对金属试片和复合材料试片进行开孔，金属试片采用实体网格进行划分，在厚度方向上设置单元，复合材料试片采用壳单元，在金属试片和复合材料试片的圆孔中心处分别建立节点，两个节点分别与金属试片和复合材料试片的孔边进行RBE2连接，在两个节点间建立CBar单元，进行自由模态分析。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，包括：
对于CWeld连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于CBar连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于RBE2连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于共节点设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于共节点不设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于实体壳开孔混合建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷。
在上述仪器安装结构的螺栓校核方法中，对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，包括：
对于CWeld、CBar、RBE2、共节点设置偏移量、共节点不设置偏移量连接、实体壳开孔混合建模方式，均采用相同的模型进行力热分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，为了避免边界效应，约束端和加载端均放开横向平动位移，仅在约束端和加载端一边的一个节点约束横向平动位移，保证足够的约束数量。加载端施加10KN的载荷，同时施加150摄氏度的温度环境，初始温度为20摄氏度。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种仪器安装结构的螺栓校核方法，考虑仪器安装结构实际边界及仪器安装结构中螺栓实际受力情况，全面验证仪器安装结构中螺栓在飞行器全任务剖面下的强度、刚度，为我院乃至全国的仪器安装结构在飞行器全任务剖面下的强度、刚度分析奠定基础。
附图说明
图1是本发明实施例中一种仪器安装结构的螺栓校核方法的步骤流程图。
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，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该仪器安装结构的螺栓校核方法，包括：
步骤一：根据仪器安装结构中实际螺栓结构，用传统方法进行有限元建模。
在传统方法中的仪器安装结构螺栓有限元建模中，先是根据数模中螺栓位置建立一维梁单元，之后将梁单元两端分别与结构用CBar或RBE2单元进行连接，这种有限元模型只可以对螺栓连接型接头及其螺栓进行强度校核，无法对胶接连接型接头及其螺栓进行强度校核，并且螺栓周边结构会出现大量的应力集中现象，造成强度校核失真，需要对螺栓周边出现应力集中的结构进行进一步详细分析讨论。
传统有限元螺栓建模方法相关公式如下所示：
根据Weaver和Johnston公式，将横向位移分布表示成节点的横向位移分布与斜率的形式，得到位移函数ω(x)：
Figure BDA0002807988170000071
其中，W1和W2分别表示两端节点处与时间相关的位移；Wx1和Wx2分别表示两端节点处与时间相关的斜率；位移与斜率在单元边界处上均连续；x表示螺栓上的点在X轴上的位置，L表示螺栓的长度。
将位移函数ω(x)代入单元并在单元上进行积分，再代入拉格朗日方程，可得梁单元的运动方程：
Figure BDA0002807988170000081
其中，ρ表示梁单元的密度，A表示梁单元的截面积，EI表示梁单元的刚度，fz表示梁单元在Z方向的单位力，P1表示梁单元在X方向上的合力，P2表示梁单元在Y方向上的合力，Mz1表示梁单元在Z1方向上的合力，Mz2表示梁单元在Z2方向上的合力。
步骤二：根据仪器安装结构中实际螺栓结构，用新方法(待验证方法)进行有限元建模。
仪器安装结构中螺栓的新方法有限元建模，根据三维数模中螺栓轴线进行定位，螺栓同样用一位梁单元进行模拟，但是两端节点不采用REB2单元与结构进行连接，而是采用CWeld单元进行连接，并且两端连接单元考虑到了螺栓周边结构的结构属性，这样便消除了应力集中现象，使得螺栓的强度校核更加准确，并且不需要进一步去考虑应力集中。
新方法涉及的公式如下：
根据瑞利—里兹法的容许函数，轴向位移矩阵u(x)表达式：
Figure BDA0002807988170000091
其中，U1、U2分别表示表两端节点处与时间相关的节点位移。
轴向位移矩阵u(x)在单元上积分，得到：
Figure BDA0002807988170000092
其中，E表示杨氏模量。
将式(4)代入拉格朗日方程，可得：
Figure BDA0002807988170000093
其中，fx表示梁单元在Z方向的单位力，Fx1和Fx2表示分别施加在两端节点上的合力。
再根据Weaver和Johnston公式，将横向位移分布表示成节点的横向位移分布与斜率的形式，得到位移函数ω(x)：
Figure BDA0002807988170000094
将位移函数ω(x)代入单元并在单元上进行积分，再代入拉格朗日方程，可得梁单元的运动方程：
Figure BDA0002807988170000101
步骤三：对仪器安装结构中实际螺栓结构用传统方法合新方法所建立的有限元模型分别进行动特性分析，进行对比。
对于CWeld连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CWeld连接器，设置螺栓连接直径和材料属性。进行自由模态分析。
对于CBar连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CBar单元，CBar单元的两侧用RBE2与试片绑定。进行自由模态分析。
对于RBE2连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立RBE2，主节点在两个试片的中心位置，从节点分别绑定金属和复合材料试片。进行自由模态分析。
对于共节点设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片设置Y负向的偏移量1.6mm，复合材料试片设置Y正向的偏移量1.6mm。进行自由模态分析。
对于共节点不设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片和复合材料试片均不设置偏移量，中性面处于同一平面内。进行自由模态分析。
对于实体壳开孔混合建模方式，根据钉线位置对金属试片和复合材料试片进行开孔，金属试片采用实体网格进行划分，在厚度方向上设置单元，复合材料试片采用壳单元，在金属试片和复合材料试片的圆孔中心处分别建立节点，两个节点分别与金属试片和复合材料试片的孔边进行RBE2连接，在两个节点间建立CBar单元。进行自由模态分析。
步骤四：对仪器安装结构中实际螺栓结构用传统方法合新方法所建立的有限元模型分别进行静强度分析，进行对比。
对于CWeld连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于CBar连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于RBE2连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于共节点设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于共节点不设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于实体壳开孔混合建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
步骤五：对仪器安装结构中实际螺栓结构用传统方法合新方法所建立的有限元模型分别进行动力热分析，进行对比。
对于CWeld、CBar、RBE2、共节点设置偏移量、共节点不设置偏移量连接、实体壳开孔混合建模方式，均采用相同的模型进行力热分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。为了避免边界效应，约束端和加载端均放开横向平动位移，仅在约束端和加载端一边的一个节点约束横向平动位移，保证足够的约束数量。加载端施加10KN的载荷，同时施加150摄氏度的温度环境，初始温度为20摄氏度。
步骤六：将上述有限元强度分析结果与工程算法进行对比，验证，并分析各种建模方式特点。
步骤七：针对上述新的仪器安装结构螺栓校核方法，在PATRAN中建立有限元模型，并生成BDF文件。
步骤八：根据新生成的BDF文件进行二次开发，从而完成对螺栓校核的批量处理。
在上述实施例的基础上，下面结合一个具体实例进行说明。
根据仪器安装结构中螺栓结构形式，用传统方法进行有限元建模，传统方法一般采用CBar连接、RBE2连接、含偏移量共节点连接、不含偏移量共节点连接等方法。
在传统方法中的仪器安装结构螺栓有限元建模中，先是根据数模中螺栓位置建立一维梁单元，之后将梁单元两端分别与结构用CBar或RBE2单元进行连接，这种有限元模型只可以对螺栓连接型接头及其螺栓进行强度校核，无法对胶接连接型接头及其螺栓进行强度校核，并且螺栓周边结构会出现大量的应力集中现象，造成强度校核失真，需要对螺栓周边出现应力集中的结构进行进一步详细分析讨论。
传统有限元螺栓建模方法相关公式如前所述，不再赘述。
新方法有限元建模为CWeld连接。仪器安装结构中螺栓的新方法有限元建模，根据三维数模中螺栓轴线进行定位，螺栓同样用一位梁单元进行模拟，但是两端节点不采用REB2单元与结构进行连接，而是采用CWeld单元进行连接，并且两端连接单元考虑到了螺栓周边结构的结构属性，这样便消除了应力集中现象，使得螺栓的强度校核更加准确，并且不需要进一步去考虑应力集中。
新方法涉及的公式如前所述，不再赘述。
对仪器安装结构中实际螺栓结构用传统方法合新方法所建立的有限元模型分别进行动特性分析，进行对比。
对于CWeld连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CWeld连接器，设置螺栓连接直径和材料属性。进行自由模态分析。
对于CBar连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CBar单元，CBar单元的两侧用RBE2与试片绑定。进行自由模态分析。
对于RBE2连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立RBE2，主节点在两个试片的中心位置，从节点分别绑定金属和复合材料试片。进行自由模态分析。
对于共节点设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片设置Y负向的偏移量1.6mm，复合材料试片设置Y正向的偏移量1.6mm。进行自由模态分析。
对于共节点不设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片和复合材料试片均不设置偏移量，中性面处于同一平面内。进行自由模态分析。
对于实体壳开孔混合建模方式，根据钉线位置对金属试片和复合材料试片进行开孔，金属试片采用实体网格进行划分，在厚度方向上设置单元，复合材料试片采用壳单元，在金属试片和复合材料试片的圆孔中心处分别建立节点，两个节点分别与金属试片和复合材料试片的孔边进行RBE2连接，在两个节点间建立CBar单元。进行自由模态分析。
根据上述传统方法及新方法的仪器安装结构螺栓有限元模型进行动特性分析，分析结果如下所示：
Figure BDA0002807988170000141
表1，6种连接建模方式的模态分析结果汇总表
从模态分析一二阶振型可以看出，6种连接建模方式的振动模式基本一致。其中刚度最大、频率最高的建模方式是含偏移量共节点，然后依次是RBE2、CBar、实体壳开孔混合、不含偏移量共节点，刚度最小、频率最低的建模方式是CWeld。
对仪器安装结构中实际螺栓结构用传统方法合新方法所建立的有限元模型分别进行静强度分析，进行对比。
对于CWeld连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于CBar连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于RBE2连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于共节点设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于共节点不设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
对于实体壳开孔混合建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。加载端施加10KN的载荷。
根据上述传统方法及新方法的仪器安装结构螺栓有限元模型进行静强度分析，其分析结果如下所示：
Figure BDA0002807988170000151
表2，6种连接建模方式的静力分析结果汇总表
Figure BDA0002807988170000152
Figure BDA0002807988170000161
表3，静力分析螺栓载荷分配结果对比表
从静力分析响应云图可以看出，CWeld、CBar和RBE2连接建模方式的响应分布基本呈现一致趋势，响应数值也相差不多，但CBar和RBE2连接建模方式由于多点约束的连接区域与网格相关，位移更小，模型更刚。无论是否设置偏移量，共节点建模方式模型最刚，响应最小，不能反映局部问题。实体壳开孔混合建模方式模型最柔，响应最大，由于局部RBE2并不能真实反映螺栓孔边接触，所以孔边应力集中并不真实。
从螺栓载荷分配可以看出，四者均较为一致，CWeld连接建模方式和实体壳开孔混合建模方式的结果更为相近，CBar连接建模方式和RBE2连接建模方式的结果更为相近。
对仪器安装结构中实际螺栓结构用传统方法合新方法所建立的有限元模型分别进行力热分析，进行对比。
对于CWeld、CBar、RBE2、共节点设置偏移量、共节点不设置偏移量连接、实体壳开孔混合建模方式，均采用相同的模型进行力热分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移。为了避免边界效应，约束端和加载端均放开横向平动位移，仅在约束端和加载端一边的一个节点约束横向平动位移，保证足够的约束数量。加载端施加10KN的载荷，同时施加150摄氏度的温度环境，初始温度为20摄氏度。
根据上述传统方法及新方法的仪器安装结构螺栓有限元模型进行力热分析，分析结果如下所示：
Figure BDA0002807988170000162
Figure BDA0002807988170000171
表4，6种连接建模方式的力热分析结果汇总表
Figure BDA0002807988170000172
表5，力热分析螺栓载荷分配结果对比表
从力热分析响应云图可以看出，CWeld、CBar和RBE2连接建模方式的响应分布基本呈现一致趋势，响应数值也相差不多，但CBar和RBE2连接建模方式由于多点约束的连接区域与网格相关，位移更小，模型更刚，并且由于RBE2连接建模方式为了施加RBE2的热膨胀系数，采用拉格朗日求解算法，无法提取MPC Force来计算螺栓载荷。无论是否设置偏移量，共节点建模方式不能真实反映力热载荷的局部问题。实体壳开孔混合和CWeld建模方式位移相差不多，由于局部RBE2并不能真实反映螺栓孔边接触，所以孔边应力集中并不真实。
从螺栓载荷分配可以看出，三者均较为一致，CWeld连接建模方式和实体壳开孔混合建模方式的结果更为相近。
根据上述传统方法及新方法的仪器安装结构螺栓校核方法动特性、静强度、力热分析结果可知，新的仪器安装结构螺栓校核方法，分析精度、覆盖性均满足设计要求，分析结果可靠。
对新的仪器安装结构螺栓校核方法BDF文件进行二次开发，而从满足对螺栓的批量化校核。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，包括：
对已有飞行器仪器安装结构螺栓校核方式进行整合，确定传统螺栓校核方法；
选取一种典型飞行器仪器安装结构的螺栓连接方式；
确定待验证螺栓校核方法；
分别采用传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法建立有限元分析模型，对选取的典型飞行器仪器安装结构的螺栓连接方式进行螺栓校核；
对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，对待验证螺栓校核方法的全面性和可靠性进行验证。
2.根据权利要求1所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，在建立有限元分析模型时，根据选取的典型飞行器仪器安装结构的材料，选择不同的有限元单元形式。
3.根据权利要求1所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，还包括：若确认待验证螺栓校核方法的全面性和可靠性合格，则将待验证螺栓校核方法更新至系统中进行二次开发，从而完成仪器安装结构螺栓的批量化校核。
4.根据权利要求1所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，在根据传统螺栓校核方法建立的有限元分析模型中，先是根据数模中螺栓位置建立一维梁单元，之后将一维梁单元两端分别与结构用CBar或RBE2单元进行连接，采用上述方式建立的有限元模型只可以对螺栓连接型接头及螺栓连接型接头的螺栓进行强度校核，无法对胶接连接型接头及胶接连接型接头的螺栓进行强度校核，并且螺栓周边结构存在应力集中现象，会造成强度校核失真，需要对螺栓周边出现应力集中的结构进行进一步分析。
5.根据权利要求4所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，在根据传统螺栓校核方法建立的有限元分析模型时，使用的公式如下：
根据Weaver和Johnston公式，将横向位移分布表示成节点的横向位移分布与斜率的形式，得到位移函数ω(x)：
Figure FDA0002807988160000021
其中，W1和W2分别表示两端节点处与时间相关的位移；Wx1和Wx2分别表示两端节点处与时间相关的斜率；位移与斜率在单元边界处上均连续；x表示螺栓上的点在X轴上的位置，L表示螺栓的长度；
将位移函数ω(x)代入单元并在单元上进行积分，再代入拉格朗日方程，可得梁单元的运动方程：
Figure FDA0002807988160000022
其中，ρ表示梁单元的密度，A表示梁单元的截面积，EI表示梁单元的刚度，fz表示梁单元在Z方向的单位力，P1表示梁单元在X方向上的合力，P2表示梁单元在Y方向上的合力，Mz1表示梁单元在Z1方向上的合力，Mz2表示梁单元在Z2方向上的合力。
6.根据权利要求5所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，在根据待验证螺栓校核方法建立有限元分析模型中，根据三维数模中螺栓轴线进行定位，根据数模中螺栓位置建立一维梁单元，之后将一维梁单元两端分别与结构用CWeld单元进行连接，且两端连接单元考虑螺栓周边结构的结构属性。
7.根据权利要求4所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，在根据待验证螺栓校核方法建立有限元分析模型时，使用的公式如下：
轴向位移矩阵u(x)表达式：
Figure FDA0002807988160000031
其中，U1、U2分别表示表两端节点处与时间相关的节点位移；
轴向位移矩阵u(x)在单元上积分，得到：
Figure FDA0002807988160000032
其中，E表示杨氏模量；
将式(4)代入拉格朗日方程，可得：
Figure FDA0002807988160000033
其中，fx表示梁单元在Z方向的单位力，Fx1和Fx2表示分别施加在两端节点上的合力。
8.根据权利要求7所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，包括：
对于CWeld连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CWeld连接器，设置螺栓连接直径和材料属性，进行自由模态分析；
对于CBar连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立CBar单元，CBar单元的两侧用RBE2与试片绑定，进行自由模态分析；
对于RBE2连接建模方式，在金属试片和复合材料试片的异构网格上，根据钉线建立RBE2，主节点在两个试片的中心位置，从节点分别绑定金属和复合材料试片，进行自由模态分析；
对于共节点设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片设置Y负向的偏移量1.6mm，复合材料试片设置Y正向的偏移量1.6mm，进行自由模态分析；
对于共节点不设置偏移量建模方式，根据金属试片和复合材料试片划分共节点网格，金属试片和复合材料试片重叠区域包含双层单元，金属试片和复合材料试片均不设置偏移量，中性面处于同一平面内，进行自由模态分析；
对于实体壳开孔混合建模方式，根据钉线位置对金属试片和复合材料试片进行开孔，金属试片采用实体网格进行划分，在厚度方向上设置单元，复合材料试片采用壳单元，在金属试片和复合材料试片的圆孔中心处分别建立节点，两个节点分别与金属试片和复合材料试片的孔边进行RBE2连接，在两个节点间建立CBar单元，进行自由模态分析。
9.根据权利要求1所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，包括：
对于CWeld连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于CBar连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于RBE2连接建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于共节点设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于共节点不设置偏移量建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷；
对于实体壳开孔混合建模方式，采用相同的模型进行静力分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，加载端施加10KN的载荷。
10.根据权利要求1所述的仪器安装结构的螺栓校核方法，其特征在于，对传统螺栓校核方法和待验证螺栓校核方法进行对比分析，包括：
对于CWeld、CBar、RBE2、共节点设置偏移量、共节点不设置偏移量连接、实体壳开孔混合建模方式，均采用相同的模型进行力热分析，有限元模型不考虑加强片区域结构，加强片区域采用固支的边界条件代替，一端用于约束，一端用于加载，加载端放开纵向平动位移，为了避免边界效应，约束端和加载端均放开横向平动位移，仅在约束端和加载端一边的一个节点约束横向平动位移，保证足够的约束数量。加载端施加10KN的载荷，同时施加150摄氏度的温度环境，初始温度为20摄氏度。
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