一种基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法，包括以下步骤：（1）根据复合材料π形胶接连接结构几何参数建立π接头几何模型；（2）根据整体化复合材料结构的受力情况确定复合材料π接头几何模型的拉伸载荷和边界条件；（3）基于π接头几何模型，通过网格加密获得准确的π接头三维有限元模型，同时保证关键连接面L&U及B上网格均匀，并计算该三维有限元模型在拉伸载荷下的应力分布；（4）提取π接头关键连接面L&U及B上各节点的正轴应力分量值，并计算关键连接面上的失效指数Rij；（5）基于π接头关键连接面L&U及B，分别计算其平均失效指数（6）根据拉伸载荷P0及平均失效指数的最大值，计算可得接头的失效强度值P。本发明适用于工程应用，可以显著缩短π接头研制周期，降低试验成本。
【专利说明】一种基于平均失效指数的复合材料I!形胶接连接结构拉伸强度预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及整体化复合材料结构中的典型31形胶接连接结构的拉伸强度预测，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复合材料典型n形胶接连接结构。 【背景技术】
[0002]轻质、高效、低成本复合材料结构应用技术是近年来航空发达国家投入巨资研究的飞行器复合材料结构设计和制造的关键技木。实现轻质、高效、低成本复合材料结构的重要途径是结构的整体化。整体化的结构形式可以大幅度減少各类紧固件和相应的连接装配工作，提高结构的减重效率，并大幅度降低制造成本。同时，整体化结构也具有良好的静力、疲劳、耐久性/损伤容限以及可靠性等特点。
[0003]如何将两个或两个以上的结构元件连结为一体，并保证连接结构能够承受和传递一定的载荷是整体化结构的重点和难点。采用共固化和共胶接等技术，非平面胶接连接可以将具有一定角度的复合材料结构元件连接在一起，有效降低紧固件数量和装配成本，并可以传递面外载荷，提供良好的力学性能，是实现整体化复合材料结构的有效连接形式。相对于常见的T形、L形、Y形和帽形连接形式，形胶接连接是ー种崭新的非平面连接形式，其结构形式更加复杂，承载能力更高。复合材料n形胶接连接由腹板，蒙皮及n加筋组成。n加筋由L形层，U形层，一形层及填料组成，如图1所示，可连接垂直相交的蒙皮和腹板。现有的研究表明填料是载荷传递的关键部位，也是整个接头结构的薄弱部位，外载荷通过其与L形层及U形层连接的界面(关键连接面L&U)传递到其与一形层连接的界面(关键连接面B)，并最终传递到蒙皮上。由于复合材料连接结构复杂，影响因素众多，其強度预测极其困难。
[0004]由于复合材料的非均质性和各向异性，复合材料形胶接结构的失效过程极为复杂，目前主要采用试验方法确定连接的极限强度，但采用实验手段研制周期长，成本昂贵。尽管目前相关研究表明:采用先进的有限元模拟技术和数值分析方法，可以追踪复合材料结构初始损伤至极限失效的全过程。但这些方法，包括基于损伤力学的渐进损伤方法，基于断裂力学的虚拟裂纹闭合技术以及基于损伤和断裂力学的内聚カ模型等方法，均需要不断检测连接结构损伤或裂纹扩展状态，井根据连接结构的当前状态重新进行非线性有限元分析以获得重新分布的载荷/应カ水平，并进行失效评价，需要应カ分析的多次迭代计算。这ー过程不仅需要掌握深入的专业知识，且计算规模大，计算周期长，不适用于工程应用。因此，亟需一种简单易行的強度预测方法，以在工程应用中有效预测非平面形胶接连接的失效强度，为整体化复合材料结构的设计提供支持。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题为:克服现有技术的不足，基于详细的有限元分析技木，提供一种基于平均失效指数的复合材料n形胶接连接结构拉伸強度预测方法，适用于エ程应用，可以显著缩短n接头研制周期，降低试验成本。
[0006]本发明解决上述技术问题采用的技术方案为:一种基于平均失效指数的复合材料^形胶接连接结构拉伸強度预测方法，实现步骤如下:
[0007]步骤A，基于有限元分析软件ABAQUS，根据复合材料形胶接连接结构几何參数建立接头几何模型；
[0008]步骤B，根据整体化复合材料结构的受カ情况确定复合材料接头几何模型的拉伸载荷和边界条件；
[0009]步骤C，基于接头几何模型，通过网格加密获得准确的接头三维有限元模型及其在拉伸载荷下的应カ分布；
[0010]步骤D，提取接头关键连接面L&U及B上各节点的正轴应カ分量值，并计算关键连接面上的失效指数R?，其表达式为:
【权利要求】
1.一种基于平均失效指数的复合材料n形胶接连接结构拉伸強度预测方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤A，基于有限元分析软件ABAQUS，根据复合材料形胶接连接结构几何參数建立n接头几何1吴型； 步骤B，根据整体化复合材料结构的受カ情况确定复合材料31接头几何模型的拉伸载荷和边界条件； 步骤C，基于接头几何模型，通过网格加密获得准确的接头三维有限元模型及其在拉伸载荷下的应カ分布； 步骤D，提取接头关键连接面L&U及B上各节点的正轴应カ分量值，并计算关键连接面上的失效指数Ru，其表达式为:
2.根据权利要求1所述的ー种基于平均失效指数的复合材料n形胶接连接结构拉伸強度预测方法，其特征在干:所述步骤A中根据复合材料形胶接连接结构几何參数建立^接头几何模型实现过程为: (Al)根据复合材料接头结构几何參数，利用有限元分析软件ABAQUS首先建立接头三维几何模型； (A2)定义材料属性及局部材料方向，并按各铺层厚度值划分几何模型，创建复合材料铺层并定义铺层角度，在定义铺层角度时需要根据具体情况建立相应的局部坐标系。
3.根据权利要求1所述的ー种基于平均失效指数的复合材料n形胶接连接结构拉伸強度预测方法，其特征在于:所述步骤B根据整体化复合材料结构的受カ情况确定复合材料n接头几何模型的拉伸载荷和边界条件实现过程为: (BI)对整体化复合材料结构进行受カ分析，确定形胶接连接结构的约束情况及所受拉伸载荷； (B2)将上面的约束情况作为边界条件施加于接头几何模型上，同时在接头几何模型上施加上面受カ分析所得到的拉伸载荷。
4.根据权利要求1所述的ー种基于平均失效指数的复合材料n形胶接连接结构拉伸強度预测方法，其特征在干:所述步骤C基于接头几何模型，通过网格加密获得准确的^接头三维有限元模型及n接头在拉伸载荷下的应カ分布实现过程为: (Cl)基于上述接头三维几何模型划分局部均匀的网格，并保证关键连接面L&U和B上的网格均匀； (C2)计算接头结构的应カ分布，可以得到整体结构的正轴应カ分量的最大值； (C3)加密填料区网格，重复步骤(C2)，直到正轴应カ分量的最大值收敛于某ー特定值，且相对误差不大于1%。`
【文档编号】G06F19/00GK103559390SQ201310501187
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】张建宇, 山美娟, 赵丽滨 申请人:北京航空航天大学