一种基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法

摘要

本发明涉及一种基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法，包括以下步骤：（1）根据复合材料π形胶接连接结构几何参数建立π接头几何模型；（2）根据整体化复合材料结构的受力情况确定复合材料π接头几何模型的拉伸载荷和边界条件；（3）基于π接头几何模型，通过网格加密获得准确的π接头三维有限元模型，同时保证关键连接面L&U及B上网格均匀，并计算该三维有限元模型在拉伸载荷下的应力分布；（4）提取π接头关键连接面L&U及B上各节点的正轴应力分量值，并计算关键连接面上的失效指数R

说明书

技术领域

本发明涉及整体化复合材料结构中的典型π形胶接连接结构的拉伸强度预测，适用于航 空航天飞行器中广泛使用的复合材料典型π形胶接连接结构。

背景技术

轻质、高效、低成本复合材料结构应用技术是近年来航空发达国家投入巨资研究的飞行 器复合材料结构设计和制造的关键技术。实现轻质、高效、低成本复合材料结构的重要途径 是结构的整体化。整体化的结构形式可以大幅度减少各类紧固件和相应的连接装配工作，提 高结构的减重效率，并大幅度降低制造成本。同时，整体化结构也具有良好的静力、疲劳、 耐久性/损伤容限以及可靠性等特点。

如何将两个或两个以上的结构元件连结为一体，并保证连接结构能够承受和传递一定的 载荷是整体化结构的重点和难点。采用共固化和共胶接等技术，非平面胶接连接可以将具有 一定角度的复合材料结构元件连接在一起，有效降低紧固件数量和装配成本，并可以传递面 外载荷，提供良好的力学性能，是实现整体化复合材料结构的有效连接形式。相对于常见的 T形、L形、Y形和帽形连接形式，π形胶接连接是一种崭新的非平面连接形式，其结构形 式更加复杂，承载能力更高。复合材料π形胶接连接由腹板，蒙皮及π加筋组成。π加筋由 L形层，U形层，一形层及填料组成，如图1所示，可连接垂直相交的蒙皮和腹板。现有的 研究表明填料是载荷传递的关键部位，也是整个接头结构的薄弱部位，外载荷通过其与L形 层及U形层连接的界面（关键连接面L&U）传递到其与一形层连接的界面（关键连接面B）， 并最终传递到蒙皮上。由于复合材料连接结构复杂，影响因素众多，其强度预测极其困难。

由于复合材料的非均质性和各向异性，复合材料π形胶接结构的失效过程极为复杂，目 前主要采用试验方法确定连接的极限强度，但采用实验手段研制周期长，成本昂贵。尽管目 前相关研究表明：采用先进的有限元模拟技术和数值分析方法，可以追踪复合材料结构初始 损伤至极限失效的全过程。但这些方法，包括基于损伤力学的渐进损伤方法，基于断裂力学 的虚拟裂纹闭合技术以及基于损伤和断裂力学的内聚力模型等方法，均需要不断检测连接结 构损伤或裂纹扩展状态，并根据连接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，并进行失效评价，需要应力分析的多次迭代计算。这一过程不仅需 要掌握深入的专业知识，且计算规模大，计算周期长，不适用于工程应用。因此，亟需一种 简单易行的强度预测方法，以在工程应用中有效预测非平面π形胶接连接的失效强度，为整 体化复合材料结构的设计提供支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，基于详细的有限元分析技术，提供 一种基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法，适用于工程应用， 可以显著缩短π接头研制周期，降低试验成本。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于平均失效指数的复合材料π形胶 接连接结构拉伸强度预测方法，实现步骤如下：

步骤A，基于有限元分析软件ABAQUS，根据复合材料π形胶接连接结构几何参数建 立π接头几何模型；

步骤B，根据整体化复合材料结构的受力情况确定复合材料π接头几何模型的拉伸载荷 和边界条件；

步骤C，基于π接头几何模型，通过网格加密获得准确的π接头三维有限元模型及其在 拉伸载荷下的应力分布；

步骤D，提取π接头关键连接面L&U及B上各节点的正轴应力分量值，并计算关键连 接面上的失效指数R_ij，其表达式为：

$R_{\mathrm{ij}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}(1\le i\le j\le 3)$

其中，σ_ij和S_ij分别为复合材料的正轴应力分量及其许用值；

步骤E，基于π接头关键连接面L&U及B，分别计算其平均失效指数其表达式为：

${\bar{R}}_{\mathrm{ij},A}=\frac{\underset{A}{\int }{R}_{\mathrm{ij}}\mathrm{da}}{\underset{A}{\int }1\mathrm{da}}(1\le i\le j\le 3)$

其中A为关键连接面L&U或B，R_ij为关键连接面上的失效指数；

步骤F，根据拉伸载荷P₀及平均失效指数的最大值，计算可得接头的失效强度值P， 其表达式为：

$P=P_0/\left(\underset{1\le i\le j\le 3}{\max }{\bar{R}}_{\mathrm{ij},A}\right)$

其中P₀为施加在π接头腹板上的拉伸载荷，为关键连接面上的平均失效指数，A为 关键连接面L&U或B，通过两组关键连接面L&U及B可分别预测π接头拉伸失效强度。

所述步骤A中根据复合材料π形胶接连接结构几何参数建立π接头几何模型实现过程 为：

（A1）根据复合材料π接头结构几何参数，利用有限元分析软件ABAQUS首先建立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具体情况建立相应的局部坐标系。

所述步骤B根据整体化复合材料结构的受力情况确定复合材料π接头几何模型的拉伸载 荷和边界条件实现过程为：

（B1）对整体化复合材料结构进行受力分析，确定π形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，通过网格加密获得准确的π接头三维有限元模型及π 接头在拉伸载荷下的应力分布实现过程为：

（C1）基于上述π接头三维几何模型划分局部均匀的网格，并保证关键连接面L&U和 B上的网格均匀；

（C2）计算π接头结构的应力分布，可以得到整体结构的正轴应力分量的最大值；

（C3）加密填料区网格，重复步骤（C2），直到正轴应力分量的最大值收敛于某一特定 值，且相对误差不大于1%。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法，在总 结大量研究成果及理论分析的基础上，提出了基于关键连接面的平均失效指数方法，并用于 预测复合材料π接头的拉伸强度。

（2）本发明基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法，是一 种基于经验的方法，相对于现有的强度预测方法而言，简化了有限元分析的计算过程，大大 节省了计算成本和时间。

（3）本发明基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法，适用 于工程应用中的π接头拉伸强度预测，可以显著缩短π接头研制周期，降低试验成本。

附图说明

图1（a）是典型复合材料π形胶接连接结构图，图1（b）是关键连接面局部放大图， 其中1为腹板，2为U形层，3为L形层，4为一形层，5为填料，6为π加筋，7为蒙皮， 8为关键连接面L&U，9为关键连接面B；

图2是本发明的实现流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明方法的具体实现为：

1.基于有限元分析软件ABAQUS，根据复合材料π形胶接连接结构几何参数建立π接 头几何模型。

根据复合材料π接头结构几何参数，利用有限元分析软件ABAQUS首先建立π接头三 维几何模型；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具体情况建立相应的局部坐标系。

2.根据整体化复合材料结构的受力情况确定复合材料π接头几何模型的拉伸载荷和边 界条件。

对整体化复合材料结构进行受力分析，确定π形胶接连接结构的约束情况及所受拉伸载 荷；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。

3.基于π接头几何模型，通过网格加密获得准确的π接头三维有限元模型及其在拉伸载 荷下的应力分布。

基于上述π接头三维几何模型划分局部均匀的网格，并保证关键连接面L&U和B上的 网格均匀；计算π接头结构的应力分布，可以得到整体结构的正轴应力分量的最大值；加密 填料区网格，再次计算应力分布，直到正轴应力分量的最大值收敛于某一特定值，且相对误 差不大于1%。

4.提取π接头关键连接面L&U及B上各节点的正轴应力分量值，并计算关键连接面上 的失效指数R_ij，其表达式为：

$R_{\mathrm{ij}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}(1\le i\le j\le 3)$

其中，σ_ij和S_ij分别为复合材料的正轴应力分量及其许用值。

5.基于π接头关键连接面L&U及B，分别计算其平均失效指数其表达式为：

${\bar{R}}_{\mathrm{ij},A}=\frac{\underset{A}{\int }{R}_{\mathrm{ij}}\mathrm{da}}{\underset{A}{\int }1\mathrm{da}}(1\le i\le j\le 3)$

其中A为关键连接面L&U或B，R_ij为关键连接面上的失效指数。

6.根据拉伸载荷P₀及平均失效指数的最大值，计算可得接头的失效强度值P，其表 达式为：

$P=P_0/\left(\underset{1\le i\le j\le 3}{\max }{\bar{R}}_{\mathrm{ij},A}\right)$

其中P₀为施加在π接头腹板上的拉伸载荷，为关键连接面上的平均失效指数，A为 关键连接面L&U或B，通过两组关键连接面L&U及B可分别预测π接头拉伸失效强度。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。