[发明专利]复合材料壁板螺栓连接的非线性分析方法

说明书

本发明属于非线性有限元分析领域，涉及复合材料壁板螺栓连接的非线性分析方法。本申请建立“软”接触单元，精确模拟复合材料壁板螺栓连接中的接触现象、确定连接刚度、接触单元计入两个物体接触时相互间的材料渗透，并计算接触载荷，同时考虑了接触引起的能量耗散、开发几何精确壳单元建立复合材料壁板的有限元模型，计入连接区开孔，能够准确预测孔边应力分布、采用计入翘曲变形的几何精确梁单元建立螺栓的有限元模型。本申请解决现有技术中复合材料壁板螺栓连接建模的过度简化、无法准确确定连接刚度、无法准确预测孔边应力分布、“硬接触”模型未考虑物体接触时相互之间的材料渗透、也未对接触载荷大小做任何限制、计算精度低、效率低的问题。

技术领域

本发明主要属于非线性有限元分析，具体涉及复合材料壁板螺栓连接的非线性分析方法。

背景技术

目前，航空制造业广泛采用复合材料用于民用飞机的设计与制造。复合材料是非金属材料，并具有各向异性的特点。因此，广泛应用于合金材料结构件连接的传统铆钉铆接技术不适用于复材结构连接。复合材料结构件选择各种螺栓，例如高锁螺栓或沉头螺栓，进行连接。这给民机结构件的连接设计带来了新的挑战。机翼和机身结构中常见的复合材料壁板连接设计，需要准确计算通过螺栓所传递的剪切载荷，进而准确计算复合材料壁板连接区应力分布，确定应力集中区域并进行强度校核。确保在极限载荷情况下，复合材料壁板连接结构安全不破坏。需要指出的是，螺栓连接的特殊性在于其通过连接件的相互挤压和变形，即复合材料壁板与螺栓之间的接触传递载荷，是一种强非线性问题。

现有技术方案中，广泛应用的技术方案一将螺栓连接简化为固定连接，忽略接触。采用NASTAN中的一维钉单元或者ABAQUS中的一维CBUSH单元同时模拟螺栓弯曲刚度以及螺栓、复合材料壁板之间接触刚度的综合效应。总计6个刚度分量均由用户自己定义。通常，使用实验手段获得的经验公式确定上述刚度，最常用的公式为 Huth公式。但是该公式只能确定剪切刚度K₂、K₃，无法确定扭转刚度。显然，该技术方案对原始问题进行了过度简化，适用范围有限。该技术方案将螺栓连接简化为固定连接，可以实现复合材料壁板连接的快速应力分析。由于忽略了复合材料壁板开孔，预测出的应力分布是不准确的，也无法确定孔边应力状态。即使快速完成了相关的应力校核工作，该结果也需要进行相当保守的修正后才能用于民机的结构设计。

现有技术方案二采用ABAQUS中的三维实体单元或二维壳单元建立复合材料壁板的精细模型，采用三维实体单元建立螺栓、螺帽的精细数值模型。严格定义螺栓与复合材料壁板之间的接触面、复合材料壁板之间的接触面、螺帽与复合材料壁板之间的接触面，将其提取后定义成接触对。每一个接触对由接触单元描述。ABAQUS中的接触单元将接触条件作为一类特殊的不连续约束来处理。当两个表面接触时应用接触条件，并传递接触载荷，对载荷大小未做任何限制。当接触载荷变为零或负值时，接触面分离，约束被撤销。这种处理接触的方式被称为“硬”接触，忽略了两个物体接触时相互之间的材料渗透 (Inner-penetration)。这种渗透是一种真实物理现象，将会缓冲接触时的冲击载荷。虽然这种方案能够完成螺栓连接的应力分析，由于接触单元的引入，使问题变得非常复杂，需要耗费大量的计算机资源。在目前的民机设计中，还无法实现大规模的接触计算，广泛应用的仍然是现有技术方案一。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了复合材料壁板螺栓连接的非线性分析方法。

本发明的分析方法建立了Hertz接触单元，用接触单元模拟复合材料壁板螺栓连接中的接触现象，解决技术方案一中复合材料壁板螺栓连接的过度简化问题，解决技术方案二中复合材料壁板螺栓连接的过度复杂、计算效率低的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料壁板螺栓连接的非线性分析方法，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；