[发明专利]一种基于最大失效载荷的陶瓷基复合材料与高温合金混合连接结构沉头螺栓尺寸设计方法

权利要求书

1.一种基于最大失效载荷的陶瓷基复合材料与高温合金混合连接结构沉头螺栓尺寸设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

S100、给定陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的几何参数，并给定沉头螺栓的豁口深度以及锥形段高度的设计范围；

S200、保持沉头螺钉豁口深度不变，给定沉头螺钉锥形段高度设计范围内的一定值；

S300、根据陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的几何参数、装配参数和环境温度，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件高温单轴拉伸加载条件下三维有限元分析模型；

S400、选定陶瓷基复合材料非线性本构模型、失效准则及退化模型，建立C/SiC复合材料结构的渐进损伤分析模型，并进行应力分析，当在第k增量步时，开始调取单元积分点的应力σ^k；

S500、将陶瓷基复合材料单元积分点的应力代入失效准则进行判断，如果满足失效准则，则材料单元点发生失效，此时，根据退化模型进行材料刚度退化；如果没有满足失效准则，则材料无损伤，此时，材料刚度不变C^k+1＝C^k，更新应力σ^k+1＝σ^k+C^k+1·Δε^k，其中，C代表材料的刚度矩阵，σ表示应力，Δε表示应变增量，上角标k代表迭代增量步；

S600、判断复合材料结构中的损伤是否导致结构发生破坏；如果结构没有发生破坏，则增大力学载荷增量，返回S300；如果结构发生破坏，则结构失去承载能力，停止分析；

S700、获得单一工况下给定结构几何参数下C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的高温失效载荷及损伤失效模式；

S800、选取沉头螺钉所需某一设计变量的其他值，重复S200至S700，获得随所设计变量变化的C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的高温失效载荷；

S900、选取高温失效载荷最大的设计变量值，完成C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件沉头螺钉单变量几何设计；

S1000、给定高温失效载荷最大的沉头螺钉豁口深度，选取沉头螺钉锥形段高度设计范围内的一定值；

S1100、重复S300到S900，完成C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构件沉头螺钉几何设计，并获得连接结构最大的高温失效载荷。

2.根据权利要求1所述的一种基于最大失效载荷的陶瓷基复合材料与高温合金混合连接结构沉头螺栓尺寸设计方法，其特征在于，在S300中，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件高温单轴拉伸加载条件下三维有限元分析模型，其建立三维有限元分析模型的步骤为：

S310、根据陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的几何参数，采用ABAQUS软件建立陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件三维几何模型；

S320、采用八结点线性缩减积分六面体单元C3D8R并设置增强的沙漏控制对结构进行结构化网格划分；

S330、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，在相互作用属性中对各接触面添加摩擦力；

S340、使用ABAQUS中的Boltload命令在螺栓杆的横截面上直接施加轴向预紧力，通过设置钉孔之间接触对的装配值施加钉孔间隙量，并确保高温时预紧力不会降低到0N以下，整个连接结构施加均匀的高温温度载荷；

S350、对高温合金板的端部所有方向施加固支约束，对陶瓷基复合材料板端部的X方向施加力学载荷，并约束另两个方向的位移。