[发明专利]一种基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及整体化复合材料结构典型非平面胶接连接的强度预测，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复杂复合材料非平面胶接连接结构。

背景技术

复合材料因其高比强度、高比刚度及可剪裁设计等优良特性被广泛应用于航空航天飞行器结构中。复合材料胶接连接是整体化复合材料结构中高效的连接部件，分为平面胶接连接和非平面胶接连接，其中非平面胶接连接由于能够传递平面外载荷，实现具有一定角度的复合材料构件的连接而应用于复杂复合材料结构中。然而，连接结构也是决定复合材料结构强度的关键部位，为此研究者们针对胶接连接开展了大量的研究工作。

由于非平面胶接连接相对于平面胶接连接而言结构复杂，采用理论分析方法和线性有限元分析方法测定强度困难。目前的研究者们主要应用渐进损伤方法、虚拟裂纹闭合技术和内聚力模型等方法预测接头强度，采用这些方法进行强度预测需要不断检测复合材料结构损伤或裂纹扩展状态，并根据复合材料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/应力水平，并进行评价，计算规模大，计算时间长，不适用于工程应用。因此工程应用中，只能依赖大量试验确定复杂复合材料非平面胶接连接的强度，研制周期长、成本高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方法，适用于工程应用，可以显著缩短研制周期，降低试验成本。

本发明的技术解决方案：一种基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方法，实现步骤如下：

步骤A，利用有限元软件三维实体建模功能，根据复合材料π形非平面胶接连接结构参数建立π接头几何模型；

步骤B，根据复合材料结构的实际工况，确定复合材料π形非平面胶接连接结构的载荷和边界条件，将该载荷和边界条件施加在π接头几何模型上；

步骤C，对π接头几何模型的蒙皮、腹板及π加筋分组，按各组的网格要求划分网格，得到π接头三维有限元模型；

步骤D，基于π接头三维有限元模型，根据步骤B确定的载荷和边界条件，利用有限元软件进行线性应力分析，计算π接头在该载荷和边界条件下的应力分布；

步骤E，在得出π接头在给定载荷和边界条件下的应力分布之后，在π接头三维有限元模型上设置π加筋填料区曲边三角包络路径，提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值，计算各应力分量平均值，代入失效准则相应的表达式，找出具有最大值的表达式，计算该表达式等于1时对应的载荷值，即π接头强度值。

所述步骤A中根据复合材料π形非平面胶接连接结构参数建立几何模型实现过程为：

（A1）根据具体复合材料π接头结构参数值，在二维平面绘制π接头几何轮廓图，通过实体拉伸方式，沿宽度方向拉伸实际宽度值，建立π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实际情况建立相应的局部坐标系。

所述步骤B根据复合材料结构的实际工况，确定π接头几何模型的载荷和边界条件实现过程为：

（B1）对复合材料结构进行受力分析，确定π形非平面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π接头几何模型上，同时在π接头几何模型上施加上面受力分析所得到的拉伸载荷。

所述步骤C基于π接头几何模型划分网格的具体过程为：

（C1）沿蒙皮和腹板的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格不需要很精细；

（C2）沿π加筋的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格比蒙皮和腹板的网格更加精细；

（C3）逐步加密π加筋填料区网格，对整体有限元模型进行应力计算，直至获得收敛的应力解，便得到π接头三维有限元模型。

所述步骤E根据有限元应力分析结果预测π接头强度的具体实现过程为：

（E1）利用有限元软件的后处理功能，在π接头三维有限元模型上设置如图2所示的π加筋填料区曲边三角包络路径，并提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值；

（E2）计算各应力分量平均值，代入失效准则的相应表达式，找出具有最大值的表达式；

（E3）计算出该表达式等于1时对应的载荷值，即π接头强度值。

本发明与现有技术相比的优点在于：