一種基于平均失效指數的復合材料π形膠接連接結構拉伸強度預測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于平均失效指數的復合材料π形膠接連接結構拉伸強度預測方法，包括以下步驟：（1）根據復合材料π形膠接連接結構幾何參數建立π接頭幾何模型；（2）根據整體化復合材料結構的受力情況確定復合材料π接頭幾何模型的拉伸載荷和邊界條件；（3）基于π接頭幾何模型，通過網格加密獲得準確的π接頭三維有限元模型，同時保證關鍵連接面L&U及B上網格均勻，并計算該三維有限元模型在拉伸載荷下的應力分布；（4）提取π接頭關鍵連接面L&U及B上各節點的正軸應力分量值，并計算關鍵連接面上的失效指數Rij；（5）基于π接頭關鍵連接面L&U及B，分別計算其平均失效指數（6）根據拉伸載荷P0及平均失效指數的最大值，計算可得接頭的失效強度值P。本發明適用于工程應用，可以顯著縮短π接頭研制周期，降低試驗成本。
【專利說明】一種基于平均失效指數的復合材料I!形膠接連接結構拉伸強度預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及整體化復合材料結構中的典型31形膠接連接結構的拉伸強度預測，適用于航空航天飛行器中廣泛使用的復合材料典型n形膠接連接結構。 【背景技術】
[0002]輕質、高效、低成本復合材料結構應用技術是近年來航空發達國家投入巨資研究的飛行器復合材料結構設計和制造的關鍵技木。實現輕質、高效、低成本復合材料結構的重要途徑是結構的整體化。整體化的結構形式可以大幅度減少各類緊固件和相應的連接裝配工作，提高結構的減重效率，并大幅度降低制造成本。同時，整體化結構也具有良好的靜力、疲勞、耐久性/損傷容限以及可靠性等特點。
[0003]如何將兩個或兩個以上的結構元件連結為一體，并保證連接結構能夠承受和傳遞一定的載荷是整體化結構的重點和難點。采用共固化和共膠接等技術，非平面膠接連接可以將具有一定角度的復合材料結構元件連接在一起，有效降低緊固件數量和裝配成本，并可以傳遞面外載荷，提供良好的力學性能，是實現整體化復合材料結構的有效連接形式。相對于常見的T形、L形、Y形和帽形連接形式，形膠接連接是ー種嶄新的非平面連接形式，其結構形式更加復雜，承載能力更高。復合材料n形膠接連接由腹板，蒙皮及n加筋組成。n加筋由L形層，U形層，一形層及填料組成，如圖1所示，可連接垂直相交的蒙皮和腹板。現有的研究表明填料是載荷傳遞的關鍵部位，也是整個接頭結構的薄弱部位，外載荷通過其與L形層及U形層連接的界面(關鍵連接面L&U)傳遞到其與一形層連接的界面(關鍵連接面B)，并最終傳遞到蒙皮上。由于復合材料連接結構復雜，影響因素眾多，其強度預測極其困難。
[0004]由于復合材料的非均質性和各向異性，復合材料形膠接結構的失效過程極為復雜，目前主要采用試驗方法確定連接的極限強度，但采用實驗手段研制周期長，成本昂貴。盡管目前相關研究表明:采用先進的有限元模擬技術和數值分析方法，可以追蹤復合材料結構初始損傷至極限失效的全過程。但這些方法，包括基于損傷力學的漸進損傷方法，基于斷裂力學的虛擬裂紋閉合技術以及基于損傷和斷裂力學的內聚カ模型等方法，均需要不斷檢測連接結構損傷或裂紋擴展狀態，井根據連接結構的當前狀態重新進行非線性有限元分析以獲得重新分布的載荷/應カ水平，并進行失效評價，需要應カ分析的多次迭代計算。這ー過程不僅需要掌握深入的專業知識，且計算規模大，計算周期長，不適用于工程應用。因此，亟需一種簡單易行的強度預測方法，以在工程應用中有效預測非平面形膠接連接的失效強度，為整體化復合材料結構的設計提供支持。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題為:克服現有技術的不足，基于詳細的有限元分析技木，提供一種基于平均失效指數的復合材料n形膠接連接結構拉伸強度預測方法，適用于エ程應用，可以顯著縮短n接頭研制周期，降低試驗成本。
[0006]本發明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種基于平均失效指數的復合材料^形膠接連接結構拉伸強度預測方法，實現步驟如下:
[0007]步驟A，基于有限元分析軟件ABAQUS，根據復合材料形膠接連接結構幾何參數建立接頭幾何模型；
[0008]步驟B，根據整體化復合材料結構的受カ情況確定復合材料接頭幾何模型的拉伸載荷和邊界條件；
[0009]步驟C，基于接頭幾何模型，通過網格加密獲得準確的接頭三維有限元模型及其在拉伸載荷下的應カ分布；
[0010]步驟D，提取接頭關鍵連接面L&U及B上各節點的正軸應カ分量值，并計算關鍵連接面上的失效指數R?，其表達式為:
【權利要求】
1.一種基于平均失效指數的復合材料n形膠接連接結構拉伸強度預測方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟A，基于有限元分析軟件ABAQUS，根據復合材料形膠接連接結構幾何參數建立n接頭幾何1吳型； 步驟B，根據整體化復合材料結構的受カ情況確定復合材料31接頭幾何模型的拉伸載荷和邊界條件； 步驟C，基于接頭幾何模型，通過網格加密獲得準確的接頭三維有限元模型及其在拉伸載荷下的應カ分布； 步驟D，提取接頭關鍵連接面L&U及B上各節點的正軸應カ分量值，并計算關鍵連接面上的失效指數Ru，其表達式為:
2.根據權利要求1所述的ー種基于平均失效指數的復合材料n形膠接連接結構拉伸強度預測方法，其特征在干:所述步驟A中根據復合材料形膠接連接結構幾何參數建立^接頭幾何模型實現過程為: (Al)根據復合材料接頭結構幾何參數，利用有限元分析軟件ABAQUS首先建立接頭三維幾何模型； (A2)定義材料屬性及局部材料方向，并按各鋪層厚度值劃分幾何模型，創建復合材料鋪層并定義鋪層角度，在定義鋪層角度時需要根據具體情況建立相應的局部坐標系。
3.根據權利要求1所述的ー種基于平均失效指數的復合材料n形膠接連接結構拉伸強度預測方法，其特征在于:所述步驟B根據整體化復合材料結構的受カ情況確定復合材料n接頭幾何模型的拉伸載荷和邊界條件實現過程為: (BI)對整體化復合材料結構進行受カ分析，確定形膠接連接結構的約束情況及所受拉伸載荷； (B2)將上面的約束情況作為邊界條件施加于接頭幾何模型上，同時在接頭幾何模型上施加上面受カ分析所得到的拉伸載荷。
4.根據權利要求1所述的ー種基于平均失效指數的復合材料n形膠接連接結構拉伸強度預測方法，其特征在干:所述步驟C基于接頭幾何模型，通過網格加密獲得準確的^接頭三維有限元模型及n接頭在拉伸載荷下的應カ分布實現過程為: (Cl)基于上述接頭三維幾何模型劃分局部均勻的網格，并保證關鍵連接面L&U和B上的網格均勻； (C2)計算接頭結構的應カ分布，可以得到整體結構的正軸應カ分量的最大值； (C3)加密填料區網格，重復步驟(C2)，直到正軸應カ分量的最大值收斂于某ー特定值，且相對誤差不大于1%。`
【文檔編號】G06F19/00GK103559390SQ201310501187
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】張建宇, 山美娟, 趙麗濱 申請人:北京航空航天大學