[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

说明书

本发明提出了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。采用Fortran语言将非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件，并嵌入到ABAQUS有限元软件中实现了基于渐进损伤分析的陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓几何尺寸及连接结构的最大高温失效载荷设计，并使用商业有限元软件ABAQUS的接口语言Python语言进行二次开发，开发出界面窗口插件，生成GUI界面，为结构仿真参数化分析及批量化处理提供了快速高效的技术支撑。本发明可以大幅降低试验成本，节约资源与能源，极大提高连接结构的结构效率，具有良好的实际应用潜力。

技术领域

本发明涉及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，属于陶瓷基复合材料结构设计技术领域。

背景技术

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有高强度、高硬度、耐高温、抗烧蚀和低密度等一系列优异性能，已成为航空航天领域极具发展前景的新一代高温热结构。由于制造大尺寸且结构复杂的C/SiC复合材料结构十分困难且造价高昂，因此具有可重复拆卸、高载荷传递能力、高可靠性、高性价比等特点的螺栓连接结构，在航空航天飞行器尤其是高超声速飞行器中得到广泛应用。对具有气动外形和隐身性能要求的超高声速飞行器部件更倾向于选择复合材料沉头螺栓作为连接部件。显然，沉头螺栓连接相对于凸头螺栓连接的结构更为复杂，周围的应力分布也更加复杂，螺栓连接件的强度分析与设计对提高结构承载效率及维护结构完整性起着至关重要的作用，成为飞行器结构设计中的关键技术。从国内外研究现状及文献检索情况来看，针对沉头螺栓紧固件对连接结构力学性能的影响研究大多集中于纤维增强树脂基复合材料机械连接结构，而关于陶瓷基复合材料机械连接结构沉头螺栓的几何尺寸设计方面的研究还很匮乏，通过有限元模拟对陶瓷基复合材料机械连接结构沉头螺栓几何尺寸进行设计对提高结构的承载效率、保障连接结构的服役安全性具有重要的工程实际意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供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，可以对陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓的几何尺寸及连接结构的最大高温失效载荷进行设计，可以大幅降低试验成本，节约资源与能源，极大提高连接结构的结构效率，适用于指导实际生产中复合材料装配应用过程。

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，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，；

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；