CN117171881A - 研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，涉及复合材料先进连接领域，该方法包括：确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型；基于表征参数和无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型；建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型；基于复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势；基于不同几何偏差下的强度分布趋势，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。本发明能够在提高连接孔的制孔精度的同时降低制造难度与成本。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料先进连接技术领域，特别涉及一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法。
背景技术
螺栓连接因其结构简单、方便拆卸、低成本等特点广泛应用于各类工程结构中，在应用先进复合材料现代飞行器制造中仍占有重要的地位。由于飞机壁板连接结构上的每一个机械连接孔都破坏了材料完整性，影响机械连接部位强度，从而影响整体飞机壁板的服役性能。这主要是由于孔边的应力集中、孔壁的微损伤以及制孔几何精度造成的，尤其对于复合材料构件。因此连接孔的制孔精度和装配质量是影响飞机壁板结构件连接可靠性和服役强度的关键因素。
CFRP材料是典型的难加工材料。CFRP层合板是具有非匀质性、各向异性、硬度高的非金属材料，层间结合强度极低，切削加工过程中容易出现分层、劈裂、径向挤伤、次表层损伤等加工缺陷。材料断裂形式以纤维的脆性断裂为主，碳纤维对刀具刃口的摩擦作用导致刀具刃口快速钝化，刀具寿命短。这些特征使得CFRP结构的制孔过程极为困难，制孔精度难以保证。在实际装配生产过程中，由于制孔设备，人员，环境等不可控因素，复合材料孔几何精度在一定的误差阈值范围内呈随机分布。有限元方法是进行复合材料连接结构装配损伤与强度预测的一种方法。由于其不需要大量的破坏性实验，从而可以实现使用极少的成本对结构受载过程进行模拟分析。
从国内外研究现状可以看出，现有考虑孔几何偏差影响的螺栓连接结构装配研究主要集中在给定制造过程的孔几何误差上限的情况下，对复合材料连接结构的力学性能进行预测。然而，在相关复合材料连接结构承载强度预测中，传统的严格把控制孔精度以保证结构承载性能的方法无疑是对复合材料连接结构制造精度的一种过度约束，同时也加大了对制孔技术的要求，大大地提高了生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，基于随机孔几何偏差对飞机壁板复材连接结构强度影响，构建适用于实际飞机壁板装配生产中的新型复合材料制孔偏差设计准则，提高连接孔的制孔精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，包括：
考虑实际复合材料装配过程中的随机性，确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；所述孔几何偏差包括：孔位偏差、孔径偏差与孔垂直度偏差；
根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型；
基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型；
基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型；
基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势；
基于所述不同几何偏差下的强度分布趋势，结合飞机壁板制孔质量准则，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。
可选地，所述孔位偏差的表征参数如下：
t∈[0,T]，a∈[0,2π]
其中，T表示孔设计要求的孔位偏差最大值上限，t表示实际生产中随机的孔位偏差向量的长度数值，a表示孔位偏差向量与x轴的夹角；
所述孔径偏差的表征参数如下：
r∈[-ΔR,+ΔR]
其中，ΔR表示孔设计要求的孔径偏差绝对值最大值上限，r表示实际生产中随机的孔径偏差数值；
所述孔垂直度偏差的表征参数如下：
b∈[0,2π]，c∈[0,C]
其中，C表示孔设计要求的孔垂直度偏差最大值上限，c表示实际生产中随机的孔垂直度偏差的角度数值，b表示孔轴线方向在x-y平面上的投影与x轴的夹角。
可选地，根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，具体包括：
建立螺栓的三维几何模型，并根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；
根据真实复合材料装配条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度并施加插钉位移载荷，并在上述限制下，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系；
基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析与材料失效判断，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
可选地，基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型，具体包括：
根据确定的孔几何偏差类型对所述表征参数进行随机性赋值；
建立数值模型坐标系，利用坐标转换投影矩阵将材料模型坐标系下的赋值后的表征参数转换为全局坐标系下，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。
可选地，基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型，具体包括：
建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；
基于所述设定操作，选取所述连接结构变形与材料损伤状态，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型；
对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。
可选地，基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势，具体包括：
根据所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型的仿真结果绘制载荷-位移曲线；
对所有的载荷-位移曲线提取极限载荷；
根据所述极限载荷与所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型的结构极限载荷的变化值
根据所述变化值与参考结构极限载荷的比值建立结构强度变化值的概率直方图；
根据所述结构强度变化值的概率直方图，采用蒙特卡洛方法确定不同几何偏差下的强度分布趋势。
本发明还提供了一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的系统，包括：
表征参数确定模块，用于考虑实际复合材料装配过程中的随机性，确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；所述孔几何偏差包括：孔位偏差、孔径偏差与孔垂直度偏差；
第一模型建立模块，用于根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型；
第二模型建立模块，用于基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型；
第三模型建立模块，用于基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型；
结构强度变化值的概率分布图建立模块，用于基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势；
新型复合材料制孔偏差设计准则构建模块，用于基于所述不同几何偏差下的强度分布趋势，结合飞机壁板制孔质量准则，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。
可选地，所述第一模型构建模块具体包括：
三维几何模型构建单元，用于建立螺栓的三维几何模型，并根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；
碳纤维复合材料应力-应变本构关系建立单元，用于根据真实复合材料装配条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度并施加插钉位移载荷，并在上述限制下，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系；
第一模型建立单元，用于基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析与材料失效判断，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
可选地，第二模型建立模块具体包括：
赋值单元，用于根据确定的孔几何偏差类型对所述表征参数进行随机性赋值；
第二模型建立单元，用于建立数值模型坐标系，利用坐标转换投影矩阵将材料模型坐标系下的赋值后的表征参数转换为全局坐标系下，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。
可选地，第三模型建立模块具体包括：
设定操作完成单元，用于建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；
拉伸三维模型建立单元，用于基于所述设定操作，选取所述连接结构变形与材料损伤状态，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型；
第三模型建立单元，用于对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，考虑实际复合材料装配过程中的随机性，确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型；基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型；基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型；基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势；基于所述不同几何偏差下的强度分布趋势，结合飞机壁板制孔质量准则，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。本发明基于实际飞机复合材料壁板连接结构装配过程中随机孔几何偏差对结构承载性能的影响，构建新型复合材料制孔偏差设计准则，进而解除传统研究方法对制孔精度的过度要求，优化装配连接工艺参数，达到降低制造难度与成本的目的，并且降低了试验方法的材料成本与准备周期，为优化工艺设计方案提供依据，推动复合材料先进连接技术的发展。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法的流程图；
图2为本发明提供的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法的详细流程图；
图3为孔几何偏差参数化表征示意图；
图4复合材料干涉插钉结构尺寸示意图；
图5复合材料连接结构干涉插钉连接仿真模型示意图；
图6复合材料连接结构拉伸载荷模型示意图；
图7无孔位偏差下的复合材料干涉连接结构拉伸载荷-位移曲线示意图；
图8孔位偏差T＝0.05mm时复合材料干涉连接结构承载极限变化值概率分布图。
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。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。
本发明的目的是提供一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，用以在提高连接孔的制孔精度的同时降低制造难度与成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-图2所示，本发明提供的一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，包括以下步骤：
S1：考虑实际复合材料装配过程中的随机性，确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；所述孔几何偏差包括：孔位偏差、孔径偏差与孔垂直度偏差，如图3所示。
进一步地，步骤S1具体包括：
步骤S11：孔位偏差表示实际复合材料孔在垂直于孔轴方向的二维平面上与设计孔之间的偏差。因此，使用向量表示偏差孔圆心与标准孔圆心之间的偏差，分别使用向量的长度和向量与x轴的夹角作为孔位偏差的表征参数。可以表示为：
t∈[0,T],a∈[0,2π]
其中，T表示孔设计要求的孔位偏差最大值上限，t表示实际生产中随机的孔位偏差向量的长度数值，a表示孔位偏差向量与x轴的夹角。
步骤S12：孔径偏差表示在实际复合材料孔与设计孔同心情况下的孔径偏差。因此，使用标量r表示偏差孔圆心与标准孔圆心之间的偏差。可以表示为：
r∈[-ΔR,+ΔR]
其中，ΔR表示孔设计要求的孔径偏差绝对值最大值上限，r表示实际生产中随机的孔径偏差数值。
步骤S13：孔垂直度偏差表示实际复合材料孔轴线方向与板材法向的角度偏差。因此，分别使用孔轴线与z轴的夹角和孔轴线在x-y平面上的投影与x轴的夹角作为孔垂直度偏差的表征参数。可以表示为：
b∈[0,2π],c∈[0,C]
其中，C表示孔设计要求的孔垂直度偏差最大值上限，c表示实际生产中随机的孔垂直度偏差的角度数值，b表示孔轴线方向在x-y平面上的投影与x轴的夹角。
S2：根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。具体包括：建立螺栓的三维几何模型，并根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；根据真实复合材料装配条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度并施加插钉位移载荷，并在上述限制下，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系；基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析与材料失效判断，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
进一步地，将仿真模型参数化，通过编写python建模程序构建无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
S21：根据ASTMD-5961中的要求，建立碳纤维复合材料以及螺栓的三维几何模型。由于螺栓光杆的长度大于连接结构叠层厚度，故忽略螺纹部分，将螺栓简化成“T”字形实体模型。
S22：碳纤维复合材料采用缩减积分六面体单元C3D8R，并设置增强的沙漏控制以减少网格畸变。金属螺栓设置为刚体，便于后续干涉量的计算。根据真实复合材料装配条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度并施加插钉位移载荷。
S23：建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响。可表达为：
式中，σn、σt分别是法向应力分量和剪切应力分量；εn、εt分别是法向应变分量和剪切应变分量；Cn、Ct为法向和剪切方向的刚度。
S24：结合三维有限元模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，考虑碳纤维复合材料的剪切非线性行为，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析与材料失效判断。
(1)纤维拉伸失效(σ11≥0)：
(2)纤维压缩失效(σ11<0)：
(3)面内基体拉伸失效(σ22+σ33≥0)：
(4)面内基体压缩失效(σ22+σ33<0)：
(5)面外基体拉伸失效(σ33≥0)：
(6)面外基体压缩失效((σ33<0)：
式中，σ11、σ22、σ33分别为x、y、z三个方向的主应力；σ12、σ13、σ23分别为相应方向的面内剪切应力；Xc、Xt、Yc、Yt、Zc、Zt分别为x、y、z三个方向的拉压极限强度，下标t表示拉伸，c表示压缩；S12、S13、S23分别为相应方向的剪切极限强度；当Fft、Ffc、Fmt、Fmc、Fnt、Fnc≥1时，碳纤维复合材料单元发生损伤；否则，单元未损伤。
S25：利用材料失效判据对每一个碳纤维复合材料单元进行损伤分析后，判断单元是否发生损伤，若损伤，采用相应的刚度折减模型进行当前材料刚度折减，并更新应力；若无损伤，单元刚度保持不变；建立复合材料损伤模型。损伤变量相关的损伤刚度折减矩阵Cd表示如下：
其中：b1＝1-df，b2＝1-dm，b3＝1-ds
考虑了三个独立的损伤变量：df、dm、ds；df表示纤维方向的退化；dm表示沿垂直于纤维方向的退化；ds表示平行于纤维方向的剪切性能退化。关系如下：
df＝1-(1-dFT)(1-dFC)
dm＝1-(1-dMT)(1-dMC)
ds＝1-(1-df)(1-smt×dMT)(1-smc×dMC)
式中，dFT、dFC为纤维拉伸和压缩方向上的损伤变量；dMT、dMC为基体拉伸和压缩方向上的损伤变量；smt、smc是由于基体拉伸和压缩破坏导致的剪切模量损失的系数。
S26：建模结束后，通过编写python建模程序将模型转变成可运行的算法程序，构建无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
S3：基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。具体包括：根据确定的孔几何偏差类型对所述表征参数进行随机性赋值；建立数值模型坐标系，利用坐标转换投影矩阵将材料模型坐标系下的赋值后的表征参数转换为全局坐标系下，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。
进一步地，使用随机化参数程序，分别对孔几何偏差(孔位偏差、孔径偏差、孔垂直度偏差)进行参数随机赋值表征，模拟实际装配生产过程中复合材料孔的真实几何状态。基于步骤S2的模型，对程序进行参数修正，输入生成的随机孔几何偏差参数，编写批量化建模算法。最后，运行此程序，生成大量带有随机孔几何偏差的插钉连接模型数据样本。当批量化复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型完成分析之后，分别输出变形与损伤，保存插钉过程重启动数据。
S31：根据确定的孔几何偏差类型，进行参数初始化操作，给定样本数据模型的数量N、孔几何偏差最大值上限(T、R、C)，使用random函数对孔几何偏差进行随机性赋值。可以表示为：
孔位偏差：random(t,a)in t∈[0,T],a∈[0,2π]；
孔径偏差：random(r)in r∈[-ΔR,+ΔR]；
孔垂直度偏差：random(b,c)inb∈[0,2π],c∈[0,C]；
式中，T表示孔设计要求的孔位偏差最大值上限，ΔR表示孔设计要求的孔径偏差绝对值最大值上限，C表示孔设计要求的孔垂直度偏差最大值上限。
S32：基于步骤S2中参考数值模型程序，对Python的程序进行参数修正。分别对孔位偏差参数t和a、孔径偏差参数r、孔垂直度偏差参数b和c进行几何特征识别插入。建立数值模型坐标系，利用坐标转换投影矩阵将材料模型坐标系下的孔几何偏差参数转换为全局坐标系下，编写批量化建模程序。
孔位偏差的二维坐标系转换关系可以表示为：
式中表示全局坐标系/>与材料模型坐标系/>二维平面的相对平移变换矩阵，/>表示全局坐标系与材料坐标系二维平面的相对转动变换矩阵。
孔径偏差的二维坐标系转换关系可以表示为：
式中表示全局坐标系/>与材料模型坐标系/>二维平面的相对平移变换矩阵。
孔垂直度偏差的三维坐标系转换关系可以表示为：
式中表示全局坐标系/>与材料模型坐标系/>三维平面的相对平移变换矩阵，/>表示全局坐标系与材料坐标系三维空间沿x轴的相对转动变换矩阵，/>表示全局坐标系与材料坐标系三维空间沿y轴的相对转动变换矩阵，/>表示全局坐标系与材料坐标系三维空间沿z轴的相对转动变换矩阵。
S33：将步骤S31中生成的N组随机孔几何偏差参数输入至步骤S32中的批量化建模程序，运行参数化建模程序，生成大量带有随机孔几何偏差的复合材料连接结构模型数据样本集。
S34：当批量化复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型完成分析之后，输出连接结构变形与材料损伤状态，并打包成插钉过程重启动数据便于跨阶段模型分析。
S4：基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。具体包括：建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；基于所述设定操作，选取所述连接结构变形与材料损伤状态，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型；对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。
进一步地，根据插钉连接过程模型的重启动数据库，继承步骤S3中得到的单元等效应力及损伤分布，导入带有几何变形场与物理损伤场的复合材料层合板搭接结构模型，施加相应的载荷及边界条件，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型，构建蒙特卡洛分析方法的基础数据集。
S41：建立碳纤维复合材料以及螺栓的三维几何模型。其中，变形后复合材料层合板从步骤S2中的插钉连接仿真结果文件中导入，建立继承插钉几何变形场的三维模型，完成几何场的动态传递演变过程。因不考虑螺栓的力学行为，建立“工”字形螺栓模型，代替“T”字形螺栓模型。
S42：建立上下层合板的运动耦合参考点，并限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位移。并施加螺栓预紧力；为了避免螺栓截面属性发生冲突，在网格划分过程中将螺栓截面属性设置为默认。
S43：读取步骤S3中插钉连接仿真结果文件，将上下层合板设置预定义场，选取插钉仿真模型的最后一个分析步结果，导入插钉过程所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型。
S44：结合步骤S2中的复合材料材料属性、失效判据与刚度折减模型，对上述的拉伸三维模型进行应力分析，判断每一个复合材料单元是否发生损伤或进行刚度折减，建立损伤模型。
S5：基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势。
当批量化复合材料单钉连接结构拉伸受载仿真模型完成分析之后，分别绘制每个仿真结果的载荷-位移曲线，提取并统计结构拉伸强度。按照蒙特卡洛方法的统计学原理，建立给定几何偏差下结构强度变化值的概率分布图，分析不同几何偏差下的强度分布趋势。
进一步地，步骤S5具体包括：
S51：批量化仿真模型计算完成后，根据结果文件，输出运动耦合参考点处沿加载方向的位移和支反力，绘制仿真结果的载荷-位移曲线。重复操作，直至所有模型均完成结果的输出。
S52：对所有的载荷位移曲线提取极限载荷Fi，分别计算出相较于无几何偏差模型的结构极限载荷变化值ΔFi与参考结构极限载荷F0的比值。统计计算比值ΔFi/F0的分布趋势与规律，建立结构强度变化值概率直方图。
S53：根据步骤S52中的概率直方图，使用蒙特卡洛方法对统计结果进行分析，得到给定几何偏差下的强度分布趋势。
S6：基于所述不同几何偏差下的强度分布趋势，结合飞机壁板制孔质量准则，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。
根据步骤S5中的分析结果，结合飞机壁板制孔质量准则，构建适用于实际飞机壁板装配生产中的新型复合材料制孔偏差设计准则。
实施例二
为了更好的理解实施例一中的方法，本实施例提供了一个具体的例子。
本实施例以T300/TED-85碳纤维复合材料(铺层顺序为[0/45/-45/90]3s)及Ti6Al4V螺栓材料为例，选用孔位偏差T＝0.1mm，组数N＝500为例。其他几何偏差(孔径偏差、孔垂直度偏差)类似，组数N越多结果准确度越高，但计算成本也越高。
一、考虑实际复合材料装配过程中的随机性，对复合材料带孔层合板试件的孔位偏差进行参数表征。
孔位偏差表示实际复合材料孔在垂直于孔轴方向的二维平面上与设计孔之间的偏差。因此，使用向量表示偏差孔圆心与标准孔圆心之间的偏差，分别使用向量的长度和向量与x轴的夹角作为孔位偏差的表征参数。可以表示为：
t∈[0,T],a∈[0,2π]
其中，T表示孔设计要求的孔位偏差最大值上限，t表示实际生产中随机的孔位偏差向量的长度数值，a表示孔位偏差向量与x轴的夹角。
二、根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。同时将仿真模型参数化，通过编写python建模程序构建复合材料单钉连接结构插钉连接仿真参考数值模型。
2.1 ASTM D-5961中所要求的结构及尺寸如图4所示，复合材料层合板分别命名为PLATE1&PLATE2，金属螺栓为BOLT，垫板为BASEPLATE。利用Abaqus软件建立碳纤维复合材料层合板及螺栓的三维几何模型。由于螺栓光杆的长度大于连接结构叠层厚度，故忽略螺纹部分，将螺栓简化成“T”字模型，其材料参数如表1所示。复合材料层合板建模时，不考虑实际制孔工艺带来的几何误差。复合材料单钉干涉连接结构插钉连接仿真模型如图5所示。
表1 Ti6Al4V螺栓材料参数
注：E为螺栓的弹性模量，υ为泊松比。
2.2碳纤维复合材料采用缩减积分六面体单元C3D8R，并设置增强的沙漏控制以减少网格畸变。金属螺栓设置为刚体，便于后续干涉量的计算。
2.3根据真实试验条件限制碳纤维复合材料及底座三个平移方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度，在载荷模块中建立干涉插钉位移为8.5mm。
2.4碳纤维复合材料被建模为横观各向同性材料，应力-应变本构模型参数关系可表达为：
式中，σn、σt分别是法向应力分量和剪切应力分量；εn、εt分别是法向应变分量和剪切应变分量；Cn、Ct为法向和剪切方向的刚度。
2.5结合三维有限元模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析，材料失效判据对每一个碳纤维复合材料单元进行损伤分析，判断单元是否发生损伤，若损伤，采用相应的刚度折减模型进行当前材料刚度折减，并更新应力；若无损伤，单元刚度保持不变；建立复合材料损伤模型。T300碳纤维复合材料强度参数如表2所示。
表2T300复合材料的力学性能
注：XT为纤维拉伸强度，XC为纤维压缩强度，YT为面内基体拉伸强度，YC为面内基体压缩强度，S12、S13、S23为剪切强度，单位为MPa。
2.6建模结束后生成可执行算法程序。
三、使用随机化参数程序，对孔位偏差进行参数随机赋值，模拟实际装配生产过程中复合材料孔的真实几何状态，即random(t,a)in t∈[0,T],a∈[0,2π]。基于上述参考模型的建模程序，对程序参数进行修正，输入生成的随机孔几何偏差参数t和a，编写基于Python语言的批量化建模算法。最后，在Abaqus中运行此程序，生成大量带有随机孔位偏差的插钉连接模型数据样本。当批量化复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型完成分析之后，分别输出变形与损伤，保存插钉过程重启动数据。
四、根据干涉插钉模型的重启动数据库，分别在Abaqus中导入带有几何变形场与物理损伤场的复合材料层合板搭接结构模型。在此基础上，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型，构建蒙特卡洛方法的基础数据集。
4.1利用Abaqus软件建立碳纤维复合材料以及螺栓的三维几何模型。其中，复合材料层合板从插钉连接仿真结果文件中导入，建立继承插钉几何变形场的三维模型，完成几何场的动态传递演变过程。因不考虑螺栓的弹塑性损伤，建立“工”字形螺栓模型，代替“T”字形螺栓模型，构建复合材料连接结构拉伸载荷模型，如图6所示。
4.2金属螺栓与复合材料材料属性使用步骤二所建立的复合材料结构插钉连接仿真模型相同的材料属性。
4.3施加载荷及边界条件，建立上下层合板的运动耦合参考点，并限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位移5mm。并施加螺栓预紧力；为了避免螺栓截面属性发生冲突，在网格模块中将螺栓截面属性设置为默认。
4.5读取插钉连接仿真结果文件，将上下层合板设置预定义场，选取插钉仿真模型的最后一个分析步结果，导入插钉过程所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型。
4.6结合步骤二中的失效判据与刚度折减模型，对上述的复合材料干涉连接结构拉伸模型进行应力分析，判断每一个复合材料单元是否发生损伤或进行刚度折减，建立损伤模型。
五、当批量化复合材料单钉连接结构拉伸受载仿真模型完成分析之后，分别绘制每个仿真结果的载荷-位移曲线，提取并统计结构拉伸强度。按照蒙特卡洛方法的统计学原理，建立给定几何偏差下结构强度变化值的概率分布图。分析不同几何偏差下的强度分布趋势，构建适用于实际装配生产中的新型复合材料制孔偏差设计准则。
5.1批量化仿真模型计算完成后，根据结果文件，输出运动耦合参考点处沿加载方向的位移和支反力，绘制仿真结果的载荷-位移曲线。重复操作，直至所有模型均完成结果的输出。图7所示的是无孔位偏差下的复合材料干涉连接结构输出的载荷-位移曲线。
5.2对所有的载荷位移曲线提取极限载荷Fi，分别计算出相较于无几何偏差模型的结构极限载荷变化值ΔFi与参考结构极限载荷F0的比值。统计计算比值ΔFi/F0的分布趋势与规律，建立结构强度变化值概率直方图。图8所示的是孔位偏差T＝0.1mm时复合材料干涉连接结构承载极限概率分布图。
5.3根据5.3中的概率直方图，使用蒙特卡洛方法对统计结果进行分析，建立在给定最大孔位偏差值下结构最大承载性能变化与准则判据之间的关系。由图8中结果可以看出，在置信度为99.55％情况下，最大孔位偏差T＝0.1mm对整体结构拉伸承载性能折减不会超过25％；在置信度为83.77％情况下，最大孔位偏差T＝0.1mm对整体结构拉伸承载性能折减不会超过15％。
六、根据步骤五中的分析结果，结合飞机壁板制孔质量准则，构建适用于实际装配生产中的新型复合材料制孔偏差设计准则。
根据飞机壁板制孔质量准则可知，复合材料制孔孔位公差T为0.1mm。步骤五分析结果可知，在实际生产过程中，有99.55％置信度下结构的承载能力大于0.25*Fmax＝3609N，有83.77％置信度下结构的承载能力大于0.15*Fmax＝3609N＝2165N。因此，当实际结构承载强度需求小于3600N时，可以适当的提高连接结构制孔公差，以提高效率降低成本。
实施例三
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供了一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的系统，包括：
表征参数确定模块，用于考虑实际复合材料装配过程中的随机性，确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；所述孔几何偏差包括：孔位偏差、孔径偏差与孔垂直度偏差。
第一模型建立模块，用于根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
第二模型建立模块，用于基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。
第三模型建立模块，用于基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。
结构强度变化值的概率分布图建立模块，用于基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势。
新型复合材料制孔偏差设计准则构建模块，用于基于所述不同几何偏差下的强度分布趋势，结合飞机壁板制孔质量准则，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。
进一步地，所述第一模型构建模块具体包括：
三维几何模型构建单元，用于建立螺栓的三维几何模型，并根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型。
碳纤维复合材料应力-应变本构关系建立单元，用于根据真实复合材料装配条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度并施加插钉位移载荷，并在上述限制下，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系。
第一模型建立单元，用于基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析与材料失效判断，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
进一步地，第二模型建立模块具体包括：
赋值单元，用于根据确定的孔几何偏差类型对所述表征参数进行随机性赋值。
第二模型建立单元，用于建立数值模型坐标系，利用坐标转换投影矩阵将材料模型坐标系下的赋值后的表征参数转换为全局坐标系下，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。
进一步地，第三模型建立模块具体包括：
设定操作完成单元，用于建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作。
拉伸三维模型建立单元，用于基于所述设定操作，选取所述连接结构变形与材料损伤状态，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型。
第三模型建立单元，用于对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，其特征在于，包括：
考虑实际复合材料装配过程中的随机性，确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；所述孔几何偏差包括：孔位偏差、孔径偏差与孔垂直度偏差；
根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型；
基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型；
基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型；
基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势；
基于所述不同几何偏差下的强度分布趋势，结合飞机壁板制孔质量准则，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。
2.根据权利要求1所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，其特征在于，所述孔位偏差的表征参数如下：
t∈[0,T]，a∈[0,2π]
其中，T表示孔设计要求的孔位偏差最大值上限，t表示实际生产中随机的孔位偏差向量的长度数值，a表示孔位偏差向量与x轴的夹角；
所述孔径偏差的表征参数如下：
r∈[-ΔR,+ΔR]
其中，ΔR表示孔设计要求的孔径偏差绝对值最大值上限，r表示实际生产中随机的孔径偏差数值；
所述孔垂直度偏差的表征参数如下：
b∈[0,2π]，c∈[0,C]
其中，C表示孔设计要求的孔垂直度偏差最大值上限，c表示实际生产中随机的孔垂直度偏差的角度数值，b表示孔轴线方向在x-y平面上的投影与x轴的夹角。
3.根据权利要求1所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，其特征在于，根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，具体包括：
建立螺栓的三维几何模型，并根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；
根据真实复合材料装配条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度并施加插钉位移载荷，并在上述限制下，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系；
基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析与材料失效判断，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
4.根据权利要求1所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，其特征在于，基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型，具体包括：
根据确定的孔几何偏差类型对所述表征参数进行随机性赋值；
建立数值模型坐标系，利用坐标转换投影矩阵将材料模型坐标系下的赋值后的表征参数转换为全局坐标系下，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。
5.根据权利要求1所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，其特征在于，基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型，具体包括：
建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；
基于所述设定操作，选取所述连接结构变形与材料损伤状态，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型；
对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。
6.根据权利要求1所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的方法，其特征在于，基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势，具体包括：
根据所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型的仿真结果绘制载荷-位移曲线；
对所有的载荷-位移曲线提取极限载荷；
根据所述极限载荷与所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型的结构极限载荷的变化值
根据所述变化值与参考结构极限载荷的比值建立结构强度变化值的概率直方图；
根据所述结构强度变化值的概率直方图，采用蒙特卡洛方法确定不同几何偏差下的强度分布趋势。
7.一种研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的系统，其特征在于，包括：
表征参数确定模块，用于考虑实际复合材料装配过程中的随机性，确定对复合材料带孔层合板试件的孔几何偏差的表征参数；所述孔几何偏差包括：孔位偏差、孔径偏差与孔垂直度偏差；
第一模型建立模块，用于根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型；
第二模型建立模块，用于基于所述表征参数和所述无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型；
第三模型建立模块，用于基于所述复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型输出的连接结构变形与材料损伤状态建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型；
结构强度变化值的概率分布图建立模块，用于基于所述复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型建立结构强度变化值的概率分布图，确定不同几何偏差下的强度分布趋势；
新型复合材料制孔偏差设计准则构建模块，用于基于所述不同几何偏差下的强度分布趋势，结合飞机壁板制孔质量准则，构建新型复合材料制孔偏差设计准则。
8.根据权利要求7所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的系统，其特征在于，所述第一模型构建模块具体包括：
三维几何模型构建单元，用于建立螺栓的三维几何模型，并根据碳纤维复合材料、螺栓的结构尺寸、接触属性、载荷及边界条件建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；
碳纤维复合材料应力-应变本构关系建立单元，用于根据真实复合材料装配条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度并施加插钉位移载荷，并在上述限制下，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系；
第一模型建立单元，用于基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析与材料失效判断，建立无孔几何偏差下的复合材料单钉连接结构插钉连接仿真模型。
9.根据权利要求7所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的系统，其特征在于，第二模型建立模块具体包括：
赋值单元，用于根据确定的孔几何偏差类型对所述表征参数进行随机性赋值；
第二模型建立单元，用于建立数值模型坐标系，利用坐标转换投影矩阵将材料模型坐标系下的赋值后的表征参数转换为全局坐标系下，建立复合材料单钉连接结构干涉插钉过程仿真模型。
10.根据权利要求7所述的研究随机孔几何偏差对飞机壁板连接结构强度影响的系统，其特征在于，第三模型建立模块具体包括：
设定操作完成单元，用于建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；
拉伸三维模型建立单元，用于基于所述设定操作，选取所述连接结构变形与材料损伤状态，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型；
第三模型建立单元，用于对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立复合材料连接结构拉伸载荷仿真模型。
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| CN117494532A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-02 | 航天精工股份有限公司 | 自动化有限元预紧力数据批量传递与仿真计算控制方法 |
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| CN117556568B (zh) * | 2023-12-27 | 2024-06-07 | 上海交通大学 | 一种考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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