CN115859617A - 一种混合连接接头载荷分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种混合连接接头载荷分配方法，包括以下步骤：建立混合连接接头仿真模型，使用内聚力模型模拟胶层的变形和损伤失效，紧固件采用实体单元建模，并设定约束；进行混合连接接头的拉伸仿真测试和实际拉伸测试，对比测试结果后对仿真模型进行修正，并输出内能/载荷‑位移曲线，根据胶能量、紧固件能量的走势和波动对胶和紧固件的载荷进行分配。本发明通过建立混合连接接头仿真模型并进行拉伸仿真测试，输出内能/载荷位移曲线，通过胶层和紧固件的内能变化来表征胶铆的载荷分配，并且通过二者的内能变化来分析胶铆的承载顺序以及胶层失效点，进而通过改变紧固件数量和胶层参数的方式优化载荷分配，提高接头承载力。

Description

一种混合连接接头载荷分配方法

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种混合连接接头载荷分配方法。

背景技术

混合连接接头是指在接头中同时使用胶接和机械连接（即螺接或者铆接），这种方式可以兼顾胶接和机械连接的优势，广泛应用于复合材料领域。研究发现，混合连接中胶铆（螺）所承担的外部载荷比例是影响接头承载能力的主要因素之一，如何合理分配胶铆（螺）载荷成为了亟待解决的问题。

相关技术中，对于混合连接接头的载荷表征方法，多采用自制的专用螺栓，通过在螺栓上设置传感器来观察接头承载过程中的受力情况，还有一种方式是建立了混合接头的仿真模型，通过胶铆（螺）局部监测点的应力/应变分析总结出载荷分配规律，此外还可以建立接头的解析模型，建立接头承载过程中的数学表达式；

然而发明人在实施上述方案时发现，采用自制专用螺栓无法对胶的承载进行监测，采用混合接头仿真模型仅能实现对局部的检测，缺少对模型整体区域中胶铆（螺）承载的综合考察，接头的拉伸过程中的解析模型侧重于接头承载能力的预测，对胶铆载荷的判断是个难点。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本发明提供了一种混合连接接头载荷分配方法，采用对胶层内能和紧固件内能进行仿真输出的方式来调整混合连接接头的载荷分配。

根据本发明的第一方面，提供一种混合连接接头载荷分配方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

建立混合连接接头仿真模型，使用内聚力模型模拟胶层的变形和损伤失效，紧固件采用实体单元建模，并设定模型的边界条件；

进行混合连接接头的拉伸仿真测试，并输出内能/载荷-位移曲线，根据胶能量、紧固件能量的走势和波动对胶和紧固件的载荷分配趋势进行评估；

其中，胶内能跃升段为胶层剥离失效点，胶内能的最终平台期为胶层不再发挥主承载作用的阶段，通过调整紧固件数量和胶层厚度来抑制胶层失效和以及同步紧固件和胶层共同承载的时机。

在本发明一些实施例中，所述紧固件为螺钉、螺栓或铆钉。

在本发明一些实施例中，在设定约束时，采用动力学模拟接头的准静态拉伸。

在本发明一些实施例中，在设定约束时，约束的条件为一边固定，约束所有自由度，另一边释放拉伸方向的自由度。

在本发明一些实施例中，在设定约束时，拉伸端采用耦合约束，约束区域为拉伸端的实际夹持区域。

在本发明一些实施例中，在进行拉伸仿真测试时，载荷采用平缓曲线加载，并在胶层和紧固件上分别设置两个集合，用于分别输出胶层和紧固件的能量曲线。

在本发明一些实施例中，在进行混合连接接头的拉伸仿真测试前，还需要通过实际混合接头拉伸测试对所述混合连接接头仿真模型进行修正。

在本发明一些实施例中，对所述混合连接接头仿真模型进行修正的方法包括以下步骤：

进行实际混合接头拉伸测试，获得混合接头拉伸过程中的载荷-位移曲线；

进行混合接头拉伸测试预仿真测试，输出仿真载荷-位移曲线，并与实际测试结果进行对比，以验证仿真模型的准确性。

在本发明一些实施例中，所述抑制胶层失效的方法为对胶层提早失效区域增加紧固件。

在本发明一些实施例中，所述同步紧固件和胶层共同承载的时机的方法为，若紧固件承载滞后于胶层承载则增加紧固件数量，若紧固件承载提前于紧固件则增加胶层厚度、韧性或者胶接区域。

本发明的有益效果为：本发明通过建立混合连接接头仿真模型并进行拉伸仿真测试，然后输出内能/载荷位移曲线，通过胶层和紧固件的内能变化来表征胶铆的载荷分配，并且通过二者的内能变化来分析胶铆的承载顺序以及胶层失效点，进而通过改变紧固件数量和胶层参数的方式优化载荷分配，提高接头承载力；与现有技术相比，可以实现胶铆承载的综合考察，并且适用于分析复杂模型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中混合连接接头载荷分配方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中单排铆钉混合连接接头的结构示意图；

图3为本发明实施例中混合连接接头的试验加载结构示意图；

图4为本发明实施例中单排铆钉的内能/载荷-位移曲线图；

图5为本发明实施例中双排铆钉混合连接接头的结构示意图；

图6为本发明实施例中双排铆钉的内能/载荷-位移曲线图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明实施例中，术语胶铆连接为上位概念，即表示胶接和机械连接的混合连接形式，并非特指胶接和铆接。发明发现，混合连接接头在拉伸过程中，通过胶铆连接来传递被连接件承受的载荷。传载时，胶和铆钉会因为自身变形或损伤失效吸收能量。这部分能量的吸收和承载为正相关，通过对这部分能量的监测，可以表征胶铆载荷分配趋势。

在本发明实施例中，采用的仿真软件为ABAQUS软件，当然本领域技术人员也可以根据需求选用其他仿真软件来实现模拟仿真；在本发明实施例中，根据内能公式：

式中，ALLIE表示内能，ALLSE表示弹性应变能，ALLDMD表示损伤耗散能，ALLPD表示非弹性耗散能，ALLCD表示蠕变耗散能，ALLAE表示伪应变能，ALLDC表示控制单元畸形耗散的能量，ALLFC表示流体腔能量。针对大部分力学分析模型，括号中能量较小，可以忽略不计。

胶层能量包括胶发生弹性变形阶段的能量吸收和发生损伤直至失效时吸收的能量。所以，胶层能量可以用下式表示：

铆钉能量主要是弹性变形阶段和塑性变形阶段对能量的吸收，可以用下式表示：

因此，用内能可以较为准确地分析胶铆载荷分配趋势。

如图1中所示的混合连接接头载荷分配方法，包括以下步骤：

S10：建立混合连接接头仿真模型，使用内聚力模型模拟胶层2的变形和损伤失效，紧固件采用实体单元建模，并设定模型的边界条件；如图2中所示，为本发明实施例中仿真的胶铆混合连接接头结构模型1，其通过胶层2和铆钉3进行混合连接。在模型建立完成后，需要进行仿真约束的设定，在本发明实施例中，具体的约束如图3中所示，混合连接接头一端固定，另一端仅在拉伸方向上释放；

S20：进行混合连接接头的拉伸仿真测试，并输出内能/载荷-位移曲线，根据胶能量、紧固件能量的走势和波动对胶和紧固件的载荷分配趋势进行评估；如图3中所示，为单排胶接铆钉3混合连接的拉伸仿真能量/载荷-位移曲线图。

S30：其中，胶内能跃升段为胶层2剥离失效点，胶内能的最终平台期为胶层2不再发挥主承载作用的阶段，通过调整紧固件数量和胶层2厚度来抑制胶层2失效和以及同步紧固件和胶层2共同承载的时机。

具体请参照图4，其中虚线表示胶接内能，从图中可以从胶层2能量的变化观察胶层2在拉伸过程中承载作用的变化规律，前期，胶的内能最先上升，发挥初始阶段的承载作用，图中点化线表示载荷的曲线图，从图中可以看出，胶层2内能的跃升与载荷的下降段对应，表现了胶层2瞬间剥离过程中对能量的吸收；此阶段的胶层2剥离失效，对接头拉伸刚度的影响并不明显，后期胶层2能量的两次跃升与接头R角胶层2失效点、刚度退化点对应，体现了R角胶层2失效，产生吸能效应，接头承载能力下降，接头刚度退化的过程。而最终胶层2能量在达到7kJ之后进入平台期，即到达7kJ后胶层2不再发挥主承载作用；同样，图中的实线表示铆钉3在拉伸过程中中承载作用的变化规律，从图中可以看出，前期胶层2将帽顶连接包围，连接面中心区域的铆钉3并未发生作用，随着胶层2的持续失效，铆钉3的承载才逐步介入，铆钉3内能。从图4中还可以看出，铆钉3内能上升较晚，承载介入滞后，介入过程由慢到块，无跃升段和平台段，体现了铆钉3承载具有渐进性和持续性的特征。胶层2能量进入平台期后，铆钉3能量持续上升，连接结构主要依靠铆钉3承载；

基于上述原因，对混合连接接头进行优化，优化为如图5中所示的双排铆钉3胶接混合接头结构，对优化后的结构进行仿真得到如图6中所示的内能/载荷-位移曲线，从图6中可以看出，铆钉3数量的增加使得铆钉3承载的介入点提前，并且减少了胶层2跃升的次数，从而可以得出，通过对铆钉3数量的改变，可以对上下蒙皮连接面的胶层2失效具有抑制作用，而且可以将铆钉3承载的介入点进行了提前，进而提高了混合连接接头结构的整体可靠性。

在上述实施例中，通过建立混合连接接头仿真模型并进行拉伸仿真测试，然后输出内能/载荷位移曲线，通过胶层2和紧固件的内能变化来表征胶铆的载荷分配，并且通过二者的内能变化来分析胶铆的承载顺序以及胶层2失效点，进而通过改变紧固件数量和胶层2参数的方式优化载荷分配，提高接头承载力；与现有技术相比，可以实现胶铆承载的综合考察，并且适用于分析复杂模型。

这里需要指出的是，在本发明实施例中，紧固件为螺钉、螺栓或铆钉3，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

在上述实施例的基础上，在设定约束时，请继续参照图3，铆钉3使用实体单元建模，铆钉3材料可以包括弹性部分及塑性部分，计算方法采用显示动力学模拟接头的准静态拉伸，计算时常一般选择为0.1-0.3s，拉伸边界的条件是一边固定，约束所有自由度；另外一边只释放拉伸方向自由度；拉伸端采用耦合约束，约束区域为拉伸端的实际夹持区域，约束参考点需要处于接头拉伸方向的轴向线上；拉伸过程中，接触设置为通用接触，按照实际情况设置摩擦系数。载荷加载通过平缓曲线加载，以减小载荷施加过程中的冲击。将胶和铆钉分别设置两个集合，通过集合输出胶和铆钉3的能量曲线。此外，输出拉伸过程接头固定端的支反力和拉伸端的位移。通过上述设置，使得模拟仿真和真实实用环境更加接近，从而提高仿真分析的真实性。

此外，在本发明实施例中，在进行混合连接接头的拉伸仿真测试前，还需要通过实际混合接头拉伸测试对混合连接接头仿真模型进行修正，修正方法包括以下步骤：

进行实际混合接头拉伸测试，获得混合接头拉伸过程中的载荷-位移曲线；

进行混合接头拉伸测试预仿真测试，输出仿真载荷-位移曲线，并与实际测试结果进行对比，以验证仿真模型的准确性。如果出现仿真的载荷-位移曲线和实际的不同以后，可以通过调整设定的参数的方式来进行调节，以达到真实测试和模拟仿真结构接近的效果。

在本发明实施例中，进行载荷分配的目标是抑制胶层2失效并且同步胶层2和紧固件承载介入的时间点，具体而言，抑制胶层2失效的方法为对胶层2提早失效区域增加紧固件；同步紧固件和胶层2共同承载的时机的方法为，若紧固件承载滞后于胶层2承载则增加紧固件数量，若紧固件承载提前于紧固件则增加胶层2厚度、韧性或者胶接区域。当然这里需要指出的是，也可以根据需要进行胶层2参数以及紧固件数量的减少，根据实际需求进行调整。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立混合连接接头仿真模型，使用内聚力模型模拟胶层的变形和损伤失效，紧固件采用实体单元建模，并设定模型的边界条件；

进行混合连接接头的拉伸仿真测试，并输出内能/载荷-位移曲线，根据胶能量、紧固件能量的走势和波动对胶和紧固件的载荷分配趋势进行评估；

其中，胶内能跃升段为胶层剥离失效点，胶内能的最终平台期为胶层不再发挥主承载作用的阶段，通过调整紧固件数量和胶层厚度来抑制胶层失效和以及同步紧固件和胶层共同承载的时机。

2.根据权利要求1所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，所述紧固件为螺钉、螺栓或铆钉。

3.根据权利要求1所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，在设定约束时，采用动力学模拟接头的准静态拉伸。

4.根据权利要求2所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，在设定约束时，约束的条件为一边固定，约束所有自由度，另一边释放拉伸方向的自由度。

5.根据权利要求4所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，在设定约束时，拉伸端采用耦合约束，约束区域为拉伸端的实际夹持区域。

6.根据权利要求1所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，在进行拉伸仿真测试时，载荷采用平缓曲线加载，并在胶层和紧固件上分别设置两个集合，用于分别输出胶层和紧固件的能量曲线。

7.根据权利要求1所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，在进行混合连接接头的拉伸仿真测试前，还需要通过实际混合接头拉伸测试对所述混合连接接头仿真模型进行修正。

8.根据权利要求2所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，对所述混合连接接头仿真模型进行修正的方法包括以下步骤：

进行实际混合接头拉伸测试，获得混合接头拉伸过程中的载荷-位移曲线；

进行混合接头拉伸测试预仿真测试，输出仿真载荷-位移曲线，并与实际测试结果进行对比，以验证仿真模型的准确性。

9.根据权利要求1所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，所述抑制胶层失效的方法为对胶层提早失效区域增加紧固件。

10.根据权利要求1所述的混合连接接头载荷分配方法，其特征在于，所述同步紧固件和胶层共同承载的时机的方法为，若紧固件承载滞后于胶层承载则增加紧固件数量，若紧固件承载提前于紧固件则增加胶层厚度、韧性或者胶接区域。

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