[发明专利]一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法

说明书

本发明提出了一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法。采用顺序热力耦合分析方法实现高温瞬态加热条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构预紧力和钉孔间隙的演变情况的理论预测，本发明所提供的预测方法简化了计算过程，提高了结构分析计算收敛性，为陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构的强度分析与设计提供重要的技术指导，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工等诸多技术领域。

技术领域

本发明涉及一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，属于陶瓷基复合材料机械连接结构装配技术领域。

背景技术

C/SiC陶瓷基复合材料(CMC)具有耐高温、比强/比模量高、热膨胀系数低、非脆性断裂及高温环境稳定性好等特点，广泛应用于航空航天飞行器推进系统部件及高温热结构部件。C/SiC陶瓷基复合材料的应用衍生出了多种多样的CMC与金属一次或者二次结构的连接技术。在现有的连接方式中，螺栓连接结构承载能力强、易组装拆卸及环境损伤容限优良等特点而备受瞩目。在陶瓷基复合材料连接结构高温服役过程中，陶瓷基复合材料与高温合金螺栓连接结构承受热力学叠加载荷，陶瓷基复合材料与高温合金材料热膨胀系数不匹配会导致孔周复杂的热应力、应变分布状态及紧固区装配参数的变化，比如预紧力松弛及钉孔间隙的改变。这些效应可能导致连接结构早期损伤，危及飞行器部件的结构完整性和承载能力及效率。从目前国内外研究状况及国内专利检索情况来看，对陶瓷基复合材料机械连接结构的研究还非常有限，研究分析主要限于基础力学性能分析与实验研究，而对于陶瓷基复合材料与高温合金混合机械连接结构在高温瞬态热载荷条件下装配参数的演变情况进行预测方面还存在研究空白，严重阻碍陶瓷基复合材料机械连接结构作为航空航天关键结构件的设计优化及规模化应用进程。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，精确量化瞬态高温热载荷下陶瓷基复合材料混合连接结构预紧力及装配间隙的变化规律，为复合材料机械连接结构优化设计提供指导。本发明提供了以下技术方案。

一种沉头螺栓混合连接结构瞬态高温装配参数演化预测方法，所述预测方法包括以下步骤：

步骤一、根据陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺钉连接结构的几何尺寸采用ABAQUS有限元软件建立有限元分析模型，建模部件包括陶瓷基复合材料板，高温合金板，高温合金沉头螺钉和螺母；

步骤二、选用八结点线性传热六面体单元并对连接结构进行网格划分；

步骤三、对所建立的有限元模型各部件按照材料性能的不同赋予相应的热物理性能；

步骤四、根据高温合金板、复合材料板、螺栓之间的接触关系，在ABAQUS中定义5组接触对，分别为螺钉上豁口与复材板上豁口接触，螺钉中径表面与复材板中径表面接触，螺钉中径表面与高温合金板中经表面接触，复材板下表面与合金板上表面接触，螺母上表面与合金板下表面接触；假设各接触面间为理想接触，即不考虑在传热过程中接触面间的接触热阻；

步骤五、对所建立的有限元分析模型施加热分析的边界条件和初始条件，其中陶瓷基复合材料板外表面设置为随时间变化的瞬态高温热载荷，连接结构的其他部位均设置室温对流边界条件；

步骤六、对施加边界条件和材料属性的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构进行瞬态热响应分析，得到连接结构各时刻各位置的瞬态温度历程数据；

步骤七、将热分析单元DC3D8转变为热结构分析单元C3D8R单元，并设置增强的沙漏控制，然后对连接结构各部件赋予相应材料的力学属性；

步骤八、在相互作用属性中对各接触面添加摩擦力；使用ABAQUS中的Bolt load命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力；通过调整两块板孔的大小设置钉孔间隙量；