[发明专利]复合材料壁板螺栓连接的非线性分析方法

权利要求书

1.一种复合材料壁板螺栓连接的非线性分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)分别对复合材料壁板和螺栓建立几何精确壳单元和梁单元模型；

(2)建立Hertz接触单元，所述Hertz接触单元模拟复合材料壁板壳单元和螺栓梁单元之间的接触；根据复合材料壁板壳单元和螺栓梁单元接触时的材料相互渗透量计算接触载荷，以接触载荷分别作为复合材料壁板壳单元和螺栓梁单元的受力载荷，分析复合材料壁板壳单元的变形，实现对复合材料壁板螺栓连接结构的非线性分析，

其中，所述几何精确壳单元和梁单元，是几何非线性结构有限元单元；所述几何精确壳单元和梁单元采用增量表达式理论处理了任意大变形和有限转动问题,定义了三种不同构型描述其在时间域内的非线性变形，分别为参考构型、初始构型和变形构型；其中，参考构型、初始构型为已知构型、变形构型为未知构型；数值计算时仅仅预测从初始构型到变形构型的变形增量和旋转增量；依据建模步骤完成当前时间步的计算后，当前的变形构型将作为下一时间步骤计算的初始值，在时间域内重复建模直至时间域内的计算全部完成为止，

其中，构建复合材料壁板壳单元具体为几何精确壳单元，能够处理任意大变形和任意转动；

所述几何精确壳单元具有静力学、模态分解和动力学分析功能；

所述几何精确壳单元依据弹性力学理论中Green-Lagrange应变张量的定义，通过高阶项的近似处理，获得适合于任意大位移、有限转动和大变形情况的应变-位移关系；同时，所述几何精确壳单元假设变形过程中，与壳中面垂直的材料线变形后仍然保持直线，不发生拉伸变形；

所述几何精确壳单元由壳的运动控制方程结合有限元理论得出；

其中壳的运动控制方程为

式中f和m代表壳中面单位面积上作用的外部力和力矩，h和g代表动量矩，和代表动量矩对时间的一阶导数，N_i,i,N₃和M_i,i，i＝1，2，为弹性力和弹性力矩，b为转换矩阵，为单位矢量的旋转对称矩阵，RR₀为旋转张量。

2.如权利要求1所述分析方法，其特征在于，

所述步骤(2)具体为：

21)所述Hertz接触单元将复合材料壁板和螺栓的接触简化为壳单元与梁单元之间局部的二维平面接触；

在所述二维平面，螺栓的截面为梁单元包括梁节点的刚性截面圆，所述复合材料壁板的可能接触面为多个壳单元边节点构成的弹性圆；根据Hertz接触理论，将复合材料壁板和螺栓的接触认为是弹性接触，并随时间变化；接触初始时刻，假设螺栓与复合材料壁板孔边接触但无渗透，所以无接触力；此时，描述复合材料壁板孔边形状的所有壳单元边节点均为可能接触点；

22)根据复合材料壁板螺栓连接件变形过程中各可能接触点相对所述螺栓刚性圆截面中心的位移来判断接触是否发生；如果接触发生则计算复合材料壁板和螺栓之间的材料相互渗透距离；

23)基于Hertz公式，利用材料相互渗透距离计算得到接触面之间的接触力、接触法向量、接触刚度和分别作用到壳单元和梁单元相关节点上的接触载荷；

24)以接触载荷分别作为壳单元和梁单元的受力载荷，根据有限元原理将壳单元或梁单元载荷、单元刚度以及整个复合材料壁板螺栓连接件所受外载荷分别集成，得到包含接触载荷和接触刚度在内的总体刚度矩阵和总体载荷矢量，形成复合材料壁板螺栓连接的变形控制方程；

25)通过求解所述变形控制方程，计算获得复合材料壁板螺栓连接的变形，进一步可获得由螺栓传递的剪切载荷以及当前计算步骤所有可能接触点相对螺栓刚性截面中心的位移矢量；

26)完成当前步骤后，计算得到的复合材料壁板螺栓连接的变形构型将作为下一时间步骤计算的初始值，在时间域内重复步骤23)-25)直至时间域内的计算全部完成为止。