变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法与流程

本发明属于飞机结构设计技术领域，尤其涉及一种变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法。

背景技术：

为减轻飞机结构重量、提高比强度、保证飞行安全性，现代飞机广泛使用金属与复合材料的混合结构，混合结构采用螺栓进行连接。金属-复材混合结构中，金属与复合材料的热膨胀系数不一致，导致金属-复材结构变形不一致，以至于采用金属-复材混合结构的飞机在不同的工作温度下产生连接内力，连接内力作用于连接螺栓，此连接载荷是一种附加于结构的不利结构反力。目前这种金属-复材混合结构的连接内力评估计算限于工程方法，计算精度低，亟需一种对其连接内力计算精度较高的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法，用于解决目前金属与复材的混合连接结构在变温下，产生不同的内力。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法，其包括

步骤一：受力形式的初步工程分析

对金属-复材混合结构进行受力分析，其中次要因素予以简化，对主承力结构进行细节分解；

步骤二：金属复材混合结构的材料非线性分析

经过初步分析，建立金属-复材混合结构的有限元模型，所述有限元模型中分别加入金属和复材的热膨胀系数随温度变化的材料非线性特性；

步骤三：金属-复材混合结构的接触非线性分析

变温度下金属-复材结构内力由螺栓接触承担，建立螺栓-金属板、螺栓-复合材料、金属板-复合材料的多对摩擦弹塑性接触对以模拟金属-复材混合结构的实际传力路线；

步骤四：对金属-复材混合结构进行实体有限元网格剖分

主承力结构细节分解，对高应力区进行小尺寸单元六面体网格剖分模拟结构传载及关键部位应力水平，对其他区域进行一次的粗网格剖分；

步骤五：对金属-复材混合结构施加温度载荷

步骤六：对金属-复材混合结构进行静态求解，获得温度载荷下的螺栓内力，并确定金属-复材混合结构的高应力区应力应变数值。

本发明一优选实施例的是，次要因素包括螺纹牙形状、螺母外形，简化形式如忽略螺纹牙、将螺母螺栓整体受力。

本发明一优选实施例的是，所述连接件为螺栓。

本发明一优选实施例的是，螺栓-金属板、螺栓-复材局部接触区域

本发明一优选实施例的是，采用的有限元软件包括narstan。

本发明一优选实施例的是，小尺寸单元的网格尺寸小于粗网格的尺寸。

本发明的变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法具有如下优点：

1)对变温度下的金属复材混合结构进行连接内力分析，提高计算分析精度，保证飞机飞行安全性与可靠性；

2)高精度的连接内力分析保证了连接标准件的选取，解决了“结构重量偏于保守”的问题，有效减轻结构重量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明中的变温度下金属-复材混合结构示意图。

图2为本发明一实施例的复合材料随温度变化的变形曲线图。

图3为本发明一实施例的金属结构随温度变化的变形曲线图。

图4为本发明一实施例的金属-复材混合结构在低温和高温环境下的变形示意图。

图5为本发明一实施例的金属-复材混合结构网格划分示意图。

图6为本发明一实施例的温度载荷施加示意图。

图7为本发明一实施例的螺栓排号-螺栓承载剪力示意曲线图。

图8为本发明一实施例的金属-复材混合结构仿真图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。

如图1所示为本发明中的变温度下的金属-复材混合结构，金属板1与复材板2通螺栓3连接，由于金属板1与复材板2在在不同温度下的变形系数或变形量不同，因此会造成金属与复材混合结构的整体变形不同。

如图2和图3所示，其分别为复合材料和金属结构随温度变化下的变形量示意图。对比图2和图3可以看到，复合材料的温度-变形曲线呈“s”型，而金属的温度-变形曲线呈指数型，而金属与复合材料在不同温度下的变形量还存在量级上的差距，当金属-复材混合结构在相同初始温度向相同最终温度变化时，由于复合材料和金属的变形量不一致，而金属-复合材料混合结构通过螺栓连接在一起，因此不一样的变形量将会导致金属板1与复材板2之间产生相互挤压的内力并传递给螺栓3。

如图4所示即为本发明一实施例的金属-复材混合结构在变温度下的变形示意图，在常温环境下将金属板1与复材板2通过连接件3连接固定在一起，之后将金属-复材混合结构置于低温环境下(0度以下)，由于金属在低温环境的缩小变形量大于复合材料在低温环境下的缩小变形量，因此造成金属板2向内弯曲(图4中右上图所示)，而在高温环境下(0度以上)，由于金属在低温环境的膨胀变形量大于复合材料在低温环境下的膨胀变形量，因此造成金属板2向外弯曲(图4中右下图所示)。不管是何种情况，与金属连接的复合材料均承受额外的内力。

而为了减小变化的温度对金属-复材混合结构的影响，遂采用本发明的变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法。

为了更高的对本发明的变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法进行说明，以如下具体数据对本发明进行说明，以下数据仅为示例：

本发明的实施例中原始输入条件为：复合板2的铺层[±45/(0/90)/(0/90)/(0/90)/(0/90)/±45/±45/(0/90)]s，螺栓3的直径d＝6mm，金属板1为铝合金，厚度为5mm。

图4所示的金属-复材混合结构即为本实施例中某型飞机金属-复材混合结构中一部分，金属-复材混合结构于室温下进行装配(图4左侧)，当飞机高空飞行时，飞机周围环境温度较低，金属-复材混合结构发生不协调变形，变形形状如图5右上所示，原因为金属结构收缩率大，而复材收缩率小；当飞机处于高温环境(或热带环境)下，其周围环境温度较高，金属结构热膨胀率大，而复合材料热膨胀率小，因此发生的不协调变形如图5右下所示，产生以上两种不同的不协调变形的内力由螺栓承受。

以图4所示的金属-复材混合结构中的某个连接螺栓进行详细说明(可参见图1所示结构)，由于螺栓3主要承受剪力，螺栓3拉力的由螺纹牙和螺母承受，拉力很小，因此在如图1所示的受力环境中，忽略螺纹牙及螺母的外形形状。而螺栓3承受的主要力为剪力，螺栓3周围区域为主要受力部分，因此主要受力部分为螺栓3-金属板1、螺栓3-复材板2、金属板-复材板2的局部接触区域。

上述金属-复材混合结构中的金属板1、复材板2的热膨胀系数随温度变化而产生非线性变化，因此在建立的金属-复材混合结构的有限元模型中加入金属、复材的材料非线性数据，可得材料非线性对金属-复材混合结构变形的影响。

在温度载荷作用下，金属-复材混合结构的内力由螺栓3承担，建立的螺栓3-复材板2、螺栓3-金属板1、复材板2-金属板3的接触对。以图1所示的结构为例，单个螺栓共建立了5对接触对，分别为螺栓头-金属板1，螺杆-金属板1，螺杆-复材板2，螺母-复材板2，金属板1-复材板2接触对(即图1加粗黑线所示部位)。

依据上述步骤建立的接触对，对接触对区域进行小尺寸单元六面体网格剖分以模拟金属-复材混合结构的传载及关键部位(局部接触区域)的应力水平，对其他区域进行一次的粗网格剖分，如图5所示共建立的十个螺栓，从左至右依次编号为l1至l10。在本实施例中，小尺寸单元的网格大小为1.5mm左右，以及其他区域为非高应力区。

对金属-复材混合结构施加温度载荷，温度载荷施加曲线如图6所示，从图中可以看到，金属-复材混合结构施加的随时间变化的温度施加时间很短，仅为3秒。金属-复材混合结构在很短时间内由常温到低温最后至高温环境，施加的两个过程基本为线性。

本实施例中建模及分析采用narstan有限元软件，并选择静态求解器求解，得到各个螺栓3连接内力及关键部位的应力应变数值，如图7和图8分别给出了变温度下螺栓连接内力分配及高应力结构应力数值。

图7为采用的十个不同排号(直径)的螺栓与承载剪力曲线示意图，其中，螺栓3的排号从小到大到依次为远离边界施加位置的螺栓，施加位置在图7中的左侧，从图中可以看到，随着螺栓排号的增大，其承受的剪力越小，排号-剪力的关系图为非线性曲线。

图8即为图5中的螺栓受力云图，螺栓剪力-螺栓排号为多项式形式，复材与螺栓接触的区域应变水平较高(浅颜色)，为金属-复材混合结构的危险部位。

本发明的变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法还得到了相应试验的验证，表1给出了上述典型剖面的有限元分析应变结果、工程计算结果与试验结果的数值比较。经过对比分析表明，本发明的采用非线性有限元分析的变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法计算精度高，最大误差不超过6％，而工程方法对评估类似金属-复材混合结构传载结构具有保守性，最大保守量达28％(即误差)。

表1典型剖面实测应变与分析应变对比

本发明的变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法具有如下优点：

(1)对变温度下的金属-复材混合结构进行连接内力分析，提高计算分析精度，保证飞机飞行安全性与可靠性；

(2)高精度的连接内力分析保证了连接标准件的选取，解决了“结构重量偏于保守”的问题，有效减轻结构重量。

本发明针对不同温度下的金属-复材混合结构给出了一套确定计算其连接内力的方法，克服了传统的“工程经验算法”的缺陷，其不仅适用于变温度下金属-复材混合结构中受力较大的飞机关键部位(如飞机翼面)，确保飞机结构安全，还适用于飞机结构中受力较小的其他部位，本发明的变温度下金属与复材混合结构中螺栓连接内力计算方法具有较大实际应用价值，已在多个飞机型号中使用。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。