CN112711886B - 一种毛化连接件有限元对比建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建模领域，涉及一种毛化连接件有限元对比建模方法。该方法包括：建立毛化金属件的模型；其中，毛化金属件上毛刺区域的毛刺沿高度方向分层建模，毛化金属件的金属本体按厚度方向分层建模；建立符合材料件的模型，复合材料件的毛刺穿透区按铺层进行分层建模；非毛穿透刺区按多铺层为一单元层进行分层建模；毛刺穿透区为具有毛刺孔的区域；毛刺孔的模型与毛刺的模型一一对应；将飞毛刺孔内表面和毛刺外表面进行接触连接；将毛刺穿透区的接触界面和毛刺区域的接触界面进行接触连接，得到毛化连接件模型。
Description
技术领域
本发明属于建模领域，涉及一种毛化连接件有限元对比建模方法。
背景技术
复合材料-金属一体化融合接头是一种基于电子束“毛化”技术的新型接头结构形式，它能很好的将复合材料和金属连接到一起。该种接头主要利用电子束“毛化”技术对金属进行表面处理，形成所需的表面形貌，然后将金属与复合材料通过加温加压共固化得到复合材料-金属一体化接头，金属表面的“毛刺”嵌入复合材料，与纤维之间相互作用，通过增强界面强度，提高复合材料与金属连接部位的承载能力。
现有技术和专利仅仅对毛化技术和毛化工艺过程有介绍，而对于毛化过程中的复合材料设计，如材料选用，铺层比例，强度要求等没有详细的说明和一个衡量的准则，同时对金属毛刺的设计，如毛刺密度，毛刺排列，毛刺形状，嵌入深度等也没有确定的标准。
发明内容
发明目的：解决如何进行毛化连接件建模的问题。
技术方案：
一种毛化连接件有限元对比建模方法，包括：
建立毛化金属件的模型；其中，毛化金属件上毛刺区域的毛刺沿高度方向分层建模，毛化金属件的金属本体按厚度方向分层建模；
建立符合材料件的模型，复合材料件的毛刺穿透区按铺层进行分层建模；非毛穿透刺区按多铺层为一单元层进行分层建模；毛刺穿透区为具有毛刺孔的区域；毛刺孔的模型与毛刺的模型一一对应；
将飞毛刺孔内表面和毛刺外表面进行接触连接；将毛刺穿透区的接触界面和毛刺区域的接触界面进行接触连接，得到毛化连接件模型。
所述方法还包括：
采用上述方法，建立三种不同毛刺密度的毛化连接件模型；即高毛刺密度模型、低毛刺密度模型和0毛刺模型；
对比三种模型，进行力学仿真计算。
毛刺的模型是对毛刺剖面面建模得到的。
毛刺模型具有恒定的厚度。
模型沿宽度的弯曲刚度等于实际毛刺的弯曲刚度。
模型采用一阶元素建模。
复合材料件采用C3D8I建模。
一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现上述方法。
有益效果：
本发明通过有限元建模的方法，建立了三种不同毛刺密度的毛化连接件模型，通过对细节模型施加特定载荷和边界条件可以获得典型毛化连接特征的基本力学性能参数。
本发明的建模方法还可以建立试验件的整体模型，根据细节模型的计算结果，将毛化连接区等效为简单的均一属性，这样即可用适当的网格密度对整个试验件进行仿真计算，以获得试验件内整体应力分布、试验件受载变形模式、破坏强度、损伤扩展模式以及危险区等宏观信息，并可利用子模型技术分析局部的细观结构破坏过程。
附图说明
图1为参考接头的复合材料铺层的示意图；
图2为0毛刺模型的示意图；
图3为毛化接头的复合材料铺层的示意图；
图4为低毛刺密度模型的示意图；
图5为高毛刺密度模型的示意图。
具体实施方式
本发明描述了三种不同接头的有限元模型。
由于接头存在金属材料与复合材料的接触问题，对于该接触问题，通常使用一阶元素而不是高阶元素进行建模，因为一阶元素具有优越的应力分布。
在建模过程中，使用8节点单元(C3D8I)。C3D8I单元具有与二次单元近似的精确度，最适合模拟弯曲问题，而毛化接头在受拉伸的过程中，由于受载不对称，常常会发生弯曲问题。
在接头试验里，毛刺和复合材料界面破坏(剥离)和复合材料破坏是观察到的主要失效机制，因此模型包含这两种失效机制。模型中对毛刺的断裂尚未模拟。
参考接头有限元模型(无毛刺接头)
参考接头的复合材料部分包含13层，模型在厚度方向上使用7层元素建模。粘合界面紧挨的单元层包含1层复合材料，而其他6层单元中的每一层单元包含2层(0°/45°)复合材料。复合材料铺层如图1所示。
接头金属部分使用C3D8I元素建模。该模型在整个厚度上有3层元素(具有均匀的高度)。复合材料部分和金属部分之间的界面用基于表面的内聚行为建模如图2所示。复合材料性能如表1所示。金属性能如表2所示。
表1复合材料性能表SE 84LV[99,120]
表2 Ti 6AL4V机械性能[98]
毛化接头有限元模型(有毛刺接头)
毛化接头的复合材料也包含13层，但是在厚度方向上使用10层元素建模。被毛刺穿透的复合材料部分用7层单元建模，每层复材用1层。复合材料其余部分用3层单元建模，即每2层复材用1层单元。模型使用的复材铺层如图3所示。
金属部分也用C3D8I元素建模。该模型在厚度上有4层元素。金属毛刺也用C3D8I元素建模。如图4所示，每个毛刺的一半被建模，沿毛刺高度(Z)方向被分成6层。毛刺模型具有恒定的厚度，但实际的毛刺不是。选择毛刺模型的长度(在X轴上)以使模型沿Y轴的弯曲刚度等于实际毛刺的弯曲刚度。在粘接重叠区域，复合材料和金属部分之间的界面分成两部分来确保模型计算收敛：第一部分是XY平面中粘合区域的界面。第二部分是毛刺表面和与毛刺接触的复合材料表面(即复合材料中的孔)之间的界面。两种不同毛刺密度(DEN1低毛刺密度模型和DEN4高毛刺密度模型)的毛化接头有限元模型如图4和5所示。
本发明提供一种毛化连接结构的毛刺建模方法，用于对毛化连接进行理论分析。对毛化连接进行数值分析研究时，为了在细观尺度上分析受载时毛刺带来的影响损伤过程，需要建立描述毛刺的细观特征的有限元模型。考虑到试验件中毛刺的几何形状近似，且排列规则，可构建一个小范围的典型毛化连接结构的细节模型，用于仿真毛化连接的细节特征。
本发明通过对细节模型施加特定载荷和边界条件可以获得典型毛化连接特征的基本力学性能参数。另外，建立试验件的整体模型，根据细节模型的计算结果，将毛化连接区等效为简单的均一属性，这样即可用适当的网格密度对整个试验件进行仿真计算，以获得试验件内整体应力分布、试验件受载变形模式、破坏强度、损伤扩展模式以及危险区等宏观信息，并可利用子模型技术分析局部的细观结构破坏过程。
Claims (7)
1.一种毛化连接件有限元对比建模方法，其特征在于，包括：
建立毛化金属件的模型；其中，毛化金属件上毛刺区域的毛刺沿高度方向分层建模，毛化金属件的金属本体按厚度方向分层建模；
建立符合材料件的模型，复合材料件的毛刺穿透区按铺层进行分层建模；非毛穿透刺区按多铺层为一单元层进行分层建模；毛刺穿透区为具有毛刺孔的区域；毛刺孔的模型与毛刺的模型一一对应；
将飞毛刺孔内表面和毛刺外表面进行接触连接；将毛刺穿透区的接触界面和毛刺区域的接触界面进行接触连接，得到毛化连接件模型；
所述方法还包括：
采用上述方法，建立三种不同毛刺密度的毛化连接件模型；即高毛刺密度模型、低毛刺密度模型和0毛刺模型；
对比三种模型，进行力学仿真计算；
0毛刺模型的复合材料部分包含13层，模型在厚度方向上使用7层元素建模；粘合界面紧挨的单元层包含1层复合材料，而其他6层单元中的每一层单元包含2层(0°/45°)复合材料；
高毛刺密度模型和低毛刺密度模型的复合材料都包含13层，在厚度方向上使用10层元素建模；被毛刺穿透的复合材料部分用7层单元建模，每层复材用1层；复合材料其余部分用3层单元建模，即每2层复材用1层单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，毛刺的模型是对毛刺剖面面建模得到的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，毛刺模型具有恒定的厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模型沿宽度的弯曲刚度等于实际毛刺的弯曲刚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模型采用一阶元素建模。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，复合材料件采用C3D8I建模。
7.一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的方法。
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| 复合材料与金属毛化连接试验及仿真分析;杜晨;贺高;;航空科学技术(12);第53-58页 * |
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