CN113343532A - 一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法。采用顺序热力耦合分析方法实现高温瞬态加热条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构预紧力和钉孔间隙的演变情况的理论预测，本发明所提供的预测方法简化了计算过程，提高了结构分析计算收敛性，为陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构的强度分析与设计提供重要的技术指导，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。

Description

一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法
技术领域
本发明涉及一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，属于陶瓷基复合材料机械连接结构装配技术领域。
背景技术
C/SiC陶瓷基复合材料(CMC)具有耐高温、比强/比模量高、热膨胀系数低、非脆性断裂及高温环境稳定性好等特点，广泛应用于航空航天飞行器推进系统部件及高温热结构部件。C/SiC陶瓷基复合材料的应用衍生出了多种多样的CMC与金属一次或者二次结构的连接技术。在现有的连接方式中，螺栓连接结构承载能力强、易组装拆卸及环境损伤容限优良等特点而备受瞩目。在陶瓷基复合材料连接结构高温服役过程中，陶瓷基复合材料与高温合金螺栓连接结构承受热力学叠加载荷，陶瓷基复合材料与高温合金材料热膨胀系数不匹配会导致孔周复杂的热应力、应变分布状态及紧固区装配参数的变化，比如预紧力松弛及钉孔间隙的改变。这些效应可能导致连接结构早期损伤，危及飞行器部件的结构完整性和承载能力及效率。从目前国内外研究状况及国内专利检索情况来看，对陶瓷基复合材料机械连接结构的研究还非常有限，研究分析主要限于基础力学性能分析与实验研究，而对于陶瓷基复合材料与高温合金混合机械连接结构在高温瞬态热载荷条件下装配参数的演变情况进行预测方面还存在研究空白，严重阻碍陶瓷基复合材料机械连接结构作为航空航天关键结构件的设计优化及规模化应用进程。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，精确量化瞬态高温热载荷下陶瓷基复合材料混合连接结构预紧力及装配间隙的变化规律，为复合材料机械连接结构优化设计提供指导。本发明提供了以下技术方案。
一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，所述预测方法包括以下步骤：
步骤一、根据陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺钉连接结构的几何尺寸采用ABAQUS有限元软件建立有限元分析模型，建模部件包括陶瓷基复合材料板，高温合金板，高温合金沉头螺钉和螺母；
步骤二、选用八结点线性传热六面体单元并对连接结构进行网格划分；
步骤三、对所建立的有限元模型各部件按照材料性能的不同赋予相应的热物理性能；
步骤四、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义5组接触对，分别为螺钉上豁口与复材板上豁口接触，螺钉中径表面与复材板中径表面接触，螺钉中径表面与高温合金板中经表面接触，复材板下表面与合金板上表面接触，螺母上表面与合金板下表面接触；假设各接触面间为理想接触，即不考虑在传热过程中接触面间的接触热阻；
步骤五、对所建立的有限元分析模型施加热分析的边界条件和初始条件，其中陶瓷基复合材料板外表面设置为随时间变化的瞬态高温热载荷，连接结构的其他部位均设置室温对流边界条件；
步骤六、对施加边界条件和材料属性的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构进行瞬态热响应分析，得到连接结构各时刻各位置的瞬态温度历程数据；
步骤七、将热分析单元DC3D8转变为热结构分析单元C3D8R单元，并设置增强的沙漏控制，然后对连接结构各部件赋予相应材料的力学属性；
步骤八、在相互作用属性中对各接触面添加摩擦力；使用ABAQUS中的Bolt load命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力；通过调整两块板孔的大小设置钉孔间隙量；
步骤九、对陶瓷基复合材料与高温合金板沉头螺栓连接结构高温合金板一侧施加固支边界，陶瓷基复合材料板一侧限制住YZ方向的位移；
步骤十、对陶瓷基复合材料与高温合金板沉头螺栓连接结构施加步骤五中计算的温度载荷作为预定义场施加在热应力分析模型上进行静力学响应分析，然后获取随所施加瞬态高温热载荷历程相对应的紧固区预紧力及钉孔间隙演变数据。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种基于最大失效载荷的陶瓷基复合材料与高温合金混合连接结构沉头螺栓尺寸设计方法，与现有的陶瓷基复合材料连接结构实验表征手段相比较，该预测方法快速、高效，能够显著节省试验耗时及成本，摆脱昂贵的试验设备及复杂的试验环节的制约，且该方法具有一定的通用性，为陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构的强度分析与设计提供重要的技术指导，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。
附图说明
图1为C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构几何尺寸示意图(单位mm)；
图2为陶瓷基复合材料板外表面随时间变化的热载荷温度曲线；
图3为陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构瞬态高温装配参数演变预测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
实施例1：
一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，所述预测方法包括：
步骤一、根据陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构的几何尺寸采用ABAQUS有限元软件建立有限元分析模型，建模部件包括陶瓷基复合材料板，高温合金板，高温合金沉头螺钉及螺母等部件。
步骤二、选用八结点线性传热六面体单元(DC3D8)并对连接结构进行网格划分。
步骤三、对所建立的有限元模型各部件按照材料性能的不同赋予相应的热物理性能，包括密度、比热容及热导率等。
步骤四、根据高温合金板、陶瓷基复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义5组接触对，即螺栓与复合材料板上表面接触，螺栓与复合材料板螺栓孔接触，螺栓与高温合金板螺栓孔接触，螺母与高温合金板下表面接触，以及高温合金板与复合材料板接触，假设各接触面间为理想接触，即不考虑在传热过程中接触面间的接触热阻。
步骤五、对所建立的有限元分析模型施加热分析的边界条件和初始条件，其中陶瓷基复合材料板外表面设置为随时间变化的瞬态高温热载荷，连接结构的其他部位均设置室温对流边界条件。
步骤六、对施加边界条件和材料属性的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构进行瞬态热响应分析，得到连接结构各时刻各位置的瞬态温度历程数据。
步骤七、将热分析单元DC3D8转变为热结构分析单元C3D8R单元(使用缩减积分的八结点线性六面体单元)，并设置增强的沙漏控制，然后对连接结构各部件赋予相应材料的力学属性，包括弹性模量、泊松比和热膨胀系数等。
步骤八、在相互作用属性中对各接触面添加摩擦力。使用ABAQUS中的Bolt load命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力。为确保孔边不发生破坏，通过调整两块板孔的大小设置钉孔间隙量。
步骤九、为了使计算过程中结构不产生刚性位移，对陶瓷基复合材料与高温合金板沉头螺栓连接结构高温合金板一侧施加固支边界，陶瓷基复合材料板一侧限制住除长轴方向以外两个方向的位移。
步骤十、对陶瓷基复合材料与高温合金板沉头螺栓连接结构施加步骤五中计算的温度载荷作为预定义场施加在热应力分析模型上进行静力学响应分析，然后获取随所施加瞬态高温热载荷相对应的紧固区预紧力及钉孔间隙演变数据。
本实施例通过采用顺序热力耦合分析方法对陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓混合连接结构瞬态高温热载荷下结构装配参数变化进行预测，提出了一种陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构瞬态高温结构装配参数演变预测方法。本实施例所提供的预测方法简化了计算过程，提高了结构分析计算收敛性，可以合理预测高温瞬态加热条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构预紧力和钉孔间隙的演变情况，填补了瞬态高温热载荷下沉头螺栓混合连接结构装配参数演变预测方面的技术空白，为陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构的强度分析与设计提供重要的技术指导，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。
以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：
步骤一、根据陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺钉连接结构的几何尺寸采用ABAQUS有限元软件建立有限元分析模型，建模部件包括陶瓷基复合材料板，高温合金板，高温合金沉头螺钉和螺母；
步骤二、选用八结点线性传热六面体单元并对连接结构进行网格划分；
步骤三、对所建立的有限元模型各部件按照材料性能的不同赋予相应的热物理性能；
步骤四、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义5组接触对，分别为螺钉上豁口与复材板上豁口接触，螺钉中径表面与复材板中径表面接触，螺钉中径表面与高温合金板中经表面接触，复材板下表面与合金板上表面接触，螺母上表面与合金板下表面接触；假设各接触面间为理想接触，即不考虑在传热过程中接触面间的接触热阻；
步骤五、对所建立的有限元分析模型施加热分析的边界条件和初始条件，其中陶瓷基复合材料板外表面设置为随时间变化的瞬态高温热载荷，连接结构的其他部位均设置室温对流边界条件；
步骤六、对施加边界条件和材料属性的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构进行瞬态热响应分析，得到连接结构各时刻各位置的瞬态温度历程数据；
步骤七、将热分析单元DC3D8转变为热结构分析单元C3D8R单元，并设置增强的沙漏控制，然后对连接结构各部件赋予相应材料的力学属性；
步骤八、在相互作用属性中对各接触面添加摩擦力；使用ABAQUS中的Boltload命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力；通过调整两块板孔的大小设置钉孔间隙量；
步骤九、对陶瓷基复合材料与高温合金板沉头螺栓连接结构高温合金板一侧施加固支边界，陶瓷基复合材料板一侧限制住YZ方向的位移；
步骤十、对陶瓷基复合材料与高温合金板沉头螺栓连接结构施加步骤五中计算的温度载荷作为预定义场施加在热应力分析模型上进行静力学响应分析，然后获取随所施加瞬态高温热载荷历程相对应的紧固区预紧力及钉孔间隙演变数据。
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