一种基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方法

摘要

本发明涉及一种基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方法，包括以下步骤：（1）根据复合材料π形非平面胶接连接结构参数建立几何模型；（2）根据复合材料结构的实际工况，确定π接头几何模型的载荷和边界条件；（3）对π接头几何模型划分网格，得到π接头三维有限元模型；（4）基于π接头三维有限元模型，进行有限元应力分析；（5）根据线性有限元应力分析结果，基于π接头三维有限元模型设置π加筋填料区曲边三角包络路径，提取该曲边三角包络路径上的各应力分量值，计算其平均值代入失效准则预测强度。本发明适用于工程应用，可以显著缩短研制周期，降低试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及整体化复合材料结构典型非平面胶接连接的强度预测，适用于航空航天飞行 器中广泛使用的复杂复合材料非平面胶接连接结构。

背景技术

复合材料因其高比强度、高比刚度及可剪裁设计等优良特性被广泛应用于航空航天飞行 器结构中。复合材料胶接连接是整体化复合材料结构中高效的连接部件，分为平面胶接连接 和非平面胶接连接，其中非平面胶接连接由于能够传递平面外载荷，实现具有一定角度的复 合材料构件的连接而应用于复杂复合材料结构中。然而，连接结构也是决定复合材料结构强 度的关键部位，为此研究者们针对胶接连接开展了大量的研究工作。

由于非平面胶接连接相对于平面胶接连接而言结构复杂，采用理论分析方法和线性有限 元分析方法测定强度困难。目前的研究者们主要应用渐进损伤方法、虚拟裂纹闭合技术和内 聚力模型等方法预测接头强度，采用这些方法进行强度预测需要不断检测复合材料结构损伤 或裂纹扩展状态，并根据复合材料结构的当前状态重新进行非线性有限元分析以获得重新分 布的载荷/应力水平，并进行评价，计算规模大，计算时间长，不适用于工程应用。因此工 程应用中，只能依赖大量试验确定复杂复合材料非平面胶接连接的强度，研制周期长、成本 高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于三角包络的复合材料π形 非平面胶接连接强度预测方法，适用于工程应用，可以显著缩短研制周期，降低试验成本。

本发明的技术解决方案：一种基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方 法，实现步骤如下：

步骤A，利用有限元软件三维实体建模功能，根据复合材料π形非平面胶接连接结构参 数建立π接头几何模型；

步骤B，根据复合材料结构的实际工况，确定复合材料π形非平面胶接连接结构的载荷 和边界条件，将该载荷和边界条件施加在π接头几何模型上；

步骤C，对π接头几何模型的蒙皮、腹板及π加筋分组，按各组的网格要求划分网格，得 到π接头三维有限元模型；

步骤D，基于π接头三维有限元模型，根据步骤B确定的载荷和边界条件，利用有限元 软件进行线性应力分析，计算π接头在该载荷和边界条件下的应力分布；

步骤E，在得出π接头在给定载荷和边界条件下的应力分布之后，在π接头三维有限元模 型上设置π加筋填料区曲边三角包络路径，提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的 各应力分量值，计算各应力分量平均值，代入失效准则相应的表达式，找出具有最大值的表 达式，计算该表达式等于1时对应的载荷值，即π接头强度值。

所述步骤A中根据复合材料π形非平面胶接连接结构参数建立几何模型实现过程为：

（A1）根据具体复合材料π接头结构参数值，在二维平面绘制π接头几何轮廓图，通过 实体拉伸方式，沿宽度方向拉伸实际宽度值，建立π接头三维几何模型；

（A2）定义材料属性及局部材料方向，并按各铺层厚度值划分几何模型，创建复合材料 铺层并定义铺层角度，在定义铺层角度时需要根据实际情况建立相应的局部坐标系。

所述步骤B根据复合材料结构的实际工况，确定π接头几何模型的载荷和边界条件实现 过程为：

（B1）对复合材料结构进行受力分析，确定π形非平面胶接连接结构的约束情况及所受 拉伸载荷；

（B2）将上面的约束情况作为边界条件施加于π接头几何模型上，同时在π接头几何模型 上施加上面受力分析所得到的拉伸载荷。

所述步骤C基于π接头几何模型划分网格的具体过程为：

（C1）沿蒙皮和腹板的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格不需要很精 细；

（C2）沿π加筋的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格比蒙皮和腹板的 网格更加精细；

（C3）逐步加密π加筋填料区网格，对整体有限元模型进行应力计算，直至获得收敛的 应力解，便得到π接头三维有限元模型。

所述步骤E根据有限元应力分析结果预测π接头强度的具体实现过程为：

（E1）利用有限元软件的后处理功能，在π接头三维有限元模型上设置如图2所示的π 加筋填料区曲边三角包络路径，并提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分 量值；

（E2）计算各应力分量平均值，代入失效准则的相应表达式，找出具有最大值的表达式；

（E3）计算出该表达式等于1时对应的载荷值，即π接头强度值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方法，利用现代计算 机强大的计算能力，通过三维有限元模拟计算π接头应力分布并预测强度。经过与试验结果 对比表明预测结果与试验结果具有良好的一致性，保证了预测精度。

（2）本发明基于三角包络的复合材料π形非平面胶接连接强度预测方法，只需进行线性 有限元分析即可预测π接头最终失效强度，大大简化了有限元模拟计算过程，节省了计算成 本和时间，适用于工程应用中的π接头强度预测，可以显著缩短研制周期，降低试验成本。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明提出的曲边三角包络。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法具体实现为：

1.根据复合材料π形非平面胶接连接结构参数建立π接头几何模型。

利用有限元软件三维实体建模功能，根据复合材料π形非平面胶接连接结构参数值，在 二维平面绘制π接头几何轮廓图，通过实体拉伸方式，沿宽度方向拉伸实际宽度值，建立π 接头几何模型；定义材料属性及局部材料方向，并按各铺层厚度值划分π接头几何模型，创 建复合材料铺层并定义铺层角度，在定义铺层角度时需要根据实际情况建立相应的局部坐标 系。

2.根据复合材料结构的实际工况确定π接头几何模型的载荷和边界条件。

对复合材料结构进行受力分析，确定π形非平面胶接连接结构的约束情况及所受拉伸载 荷；将约束情况作为边界条件施加于π接头几何模型上，同时在π接头几何模型上施加受力分 析所得到的拉伸载荷。

3.基于π接头几何模型划分网格。

对π接头几何模型的蒙皮、腹板及π加筋分组，按各组的网格要求划分网格，沿蒙皮和腹 板的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格不需要很精细；沿π加筋的长、宽、 高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格比蒙皮和腹板的网格更加精细；逐步加密π加筋 填料区网格，并对整体有限元模型进行应力计算，直至获得收敛的应力解，便得到π接头三 维有限元模型。

4.基于π接头三维有限元模型进行有限元应力分析。

基于π接头三维有限元模型，进行线性有限元应力分析，计算π接头在上面给定的载荷和 边界条件下的应力分布。

5.根据有限元应力分析结果预测π接头强度。

在得到π接头在给定载荷和边界条件下的应力分布之后，利用有限元软件的后处理功能， 在π接头三维有限元模型上设置如图2所示的π加筋填料区曲边三角包络，提取该曲边三角包 络路径上各节点材料主方向的各应力分量值，计算各应力分量平均值，代入失效准则的相应 表达式，找出具有最大值的表达式，计算该表达式等于1时对应的载荷值，即π接头强度值。

实施例1：复合材料π形非平面胶接连接强度预测

1.几何描述：

复合材料π形非平面胶接连接结构长200mm，高160mm，宽50mm，分为蒙皮、腹板和π 加筋三个部分，π加筋包括L铺层、U铺层、一形铺层及填料区，各部分利用胶粘剂理想粘 结，材料为T700/QY8911。

（1）腹板左右铺层：[0°/0°/45°/-45°]_s，厚度各为1mm；

（2）蒙皮上下铺层：[45°/90°/-45°/0°]_s，厚度各为1mm；

（3）π加筋铺层：L层和U层为[45°/90°/-45°]，一形层为[-45°/90°/45°]，厚度各为0.36mm， 填料为0°单向带，0°方向沿π接头宽度方向。

2．有限元模型建立及强度预测：

步骤A、根据上面给定的复合材料π形非平面胶接连接结构参数建立π接头几何模型，定 义材料属性，根据各铺层厚度划分几何模型，为各铺层赋予材料属性及铺层角度，在创建铺 层角度时建立了6个局部坐标系；

步骤B、根据复合材料π形非平面胶接连接结构的受力和支持情况，确定π接头几何模型 的载荷和边界条件，本实施例1中的载荷和边界条件与π接头拉伸强度测试试验装置保持一 致，约束π接头几何模型的蒙皮两端面节点的所有自由度及蒙皮距离两端面各20mm的上表 面节点y方向的自由度，并在π接头几何模型的腹板上表面施加均匀分布的拉伸载荷；

步骤C、基于π接头几何模型划分网格，对于蒙皮和腹板而言，不需要很精细的网格， 而π加筋是传递载荷的关键，需要精细的网格，故先对蒙皮和腹板沿长、宽、高三个方向均 匀布种并划分网格，再对π加筋以相同的方式划分更加精细的网格。对π加筋填料区，需要逐 步加密网格，并进行线性有限元应力分析，直至获得收敛的应力解，便得到π接头三维有限 元模型；

步骤D、在π接头三维有限元模型上设置如图2所示的π加筋填料区曲边三角包络，提取 该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值，计算各应力分量平均值，代入最 大应力准则预测π接头强度，预测结果与试验结果具有很好的一致性。具体计算过程如下：

最大应力准则认为单层某一正轴应力分量值达到其对应的强度值时，单层即发生破坏， 其表达式可以写为：

$\max (\frac{{\sigma }_{11}}{X_{t,c}},\frac{{\sigma }_{22}}{Y_{t,c}},\frac{{\sigma }_{33}}{Z_{t,c}},\frac{{\tau }_{12}}{S_{12}},\frac{{\tau }_{13}}{S_{13}},\frac{{\tau }_{23}}{S_{23}})=1$

其中，σ₁₁为单层沿纤维方向的正应力分量，σ₂₂为单层垂直于纤维方向的正应力分量， σ₃₃为单层厚度方向的正应力分量，τ₁₂为单层平面内剪切应力分量，τ₁₃和τ₂₃为单层层间剪 切应力分量；X_t,c为单层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，Y_t,c为单层垂直于纤维方向的拉伸或 压缩强度，Z_t,c为单层厚度方向的拉伸或压缩强度，S₁₂为单层平面内剪切强度，S₁₃和S₂₃为 单层层间横向剪切强度。

将线性有限元应力分析得到的π加筋填料区曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各 应力分量平均值代入上式，计算满足上式的应力值，该应力值对应的载荷值即π接头强度值。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。