叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法技术

一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，通过建立渐进损伤模型，采用改进的三维Hashin失效判据，从微观角度探究复合材料层合板孔周围纤维、基体渐进损伤扩展与失效模式，通过仿真分析孔的数量和空间布局对连接结构静强度的影响规律，从结构角度实现了集群孔复合材料/钛合金叠层板连接结构强度的优化设计。本发明专利技术从结构设计角度实现了复合材料/钛合金叠层板连接结构集群孔强度的优化设计。

【技术实现步骤摘要】
叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法
本专利技术涉及的是一种复合材料结构领域的技术，具体是一种提高碳纤维复合材料与钛合金连接结构的承载性能的叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法。
技术介绍
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有比重小、强度高、刚性好等诸多优良的物理力学特性，在大型客机和航天器的设计制造中得到广泛的关注与应用。碳纤维复合材料主要应用在飞机的机翼、尾翼、机身，以及越来越多的主承力结构件上，因此强化碳纤维复合材料的连接性能极为重要。目前，碳纤维复合材料叠层板材的连接方法主要有5种，分别为机械连接、胶接、缝合连接、Z-pin连接和机械连接/胶接混杂连接。由于碳纤维复合材料剪切、抗拉强度低、塑形差，钻孔后孔的周围出现应力集中导致连接结构易损坏。现有复合材料连接结构领域尚未明确一个统一的评价体系，存在复合材料连接结构装配效率低，适航评定效果差等问题，影响了复合材料广泛应用的可行性。在复合材料板材集群孔设计领域，如何在有限的板材尺寸范围内，通过合理设计复合材料板材的铺层方式、叠层板材的连接方式、集群孔的空间分布以及大小，以提高复合材料板材的强度和复合材料叠层板材连接结构的承载性能，形成完善的集群孔评价体系，是一件国内空白，且亟待研究的工作。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，通过建立渐进损伤模型，采用Hashin失效判据，从微观角度探究复合材料层合板孔周围纤维、基体渐进损伤扩展与失效模式，通过仿真分析孔的数量和空间布局对连接结构静强度的影响规律，从结构设计角度实现了复合材料/钛合金叠层板连接结构集群孔强度的优化设计。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，包括以下步骤：步骤一：使用有限元仿真软件，设计复合材料的本构模型、材料失效判据并建立三维复合材料/钛合金叠层板模型。所述的有限元仿真采用的但不限于ABAQUS或ANSYS，在软件内嵌的复合材料模块中构建复合材料实体模型，并与钛合金板材通过紧固件连接装配在一起，以此建立三维复合材料/钛合金叠层板模型。所述的本构模型，针对复合材料各向异性的特征，在材料属性中构建复合材料的非线性本构关系。所述的材料失效判据，通过在有限元仿真中设置三维Hashin准则作为复合材料失效判据。步骤二：在单孔叠层板的基础上，更换不同的复合材料/钛合金的连接方式，即采用不同的紧固件类型获得不同的紧固件类型对叠层板结构的影响评价。所述的紧固件类型包括螺栓连接和铆接，当采用螺栓连接方式时，干涉量范围设置为0-4.5％以获得最佳配合量以实现连接结构的最大强度。所述的紧固件材料采用航空飞机广泛应用的钛合金材料。步骤三：在单孔叠层板的基础上，采用单铺层与多铺层碳纤维复合材料两种不同的铺层方式获得复合材料不同的铺层角度对叠层板结构的影响评价。所述的单铺层是指：复合材料的铺层为单一方向，优选为0°/45°/-45°/90°。所述的多铺层是指：复合材料的铺层是多个方向，优选为[90°，0°，±45°]、[90°，0°，±45°]等。步骤四：在原有的叠层板单孔连接基础上，改变连接孔的数量获得连接孔数量及构成图形对连接结构承载性能的影响评价。所述的改变连接孔的数量，包括：2个连接孔、3个连接孔或4个连接孔，其中：2个连接孔是指：2个孔一定共线，分析在该直线与受力方向不同变化角度的情况下，角度对连接结构的影响，例如0°/45°/90°。3个连接孔是指：3个孔共线或组成三角形，共线时分析角度的变化，例如0°/45°/90°；组成三角形时分析在三角形不同边长的情况下，边长对连接结构的影响，例如40mm/50mm/60mm。在图形维度上，假设三角形的边长固定不变，分析孔的数量对连接结构的影响，例如3孔/6孔/9孔。4个连接孔是指：4个孔共线或组成正方形或组成菱/圆形，共线时分析角度的变化，例如0°/45°/90°。组成正方形时，分析在正方形不同边长的情况下，边长对连接结构的影响，例如40mm/50mm/60mm。组成菱/圆形时分析在菱/圆形不同半径的情况下，半径对连接结构的影响，例如R15/R25/R35。在图形维度上，当正方形的边长固定不变，分析孔的数量对连接结构的影响，例如4孔/8孔/12孔。假设圆形的半径固定不变，分析孔的数量对连接结构的影响，例如4孔/5孔/6孔。步骤五：依据三维复合材料/钛合金叠层板模型的实际连接方式与受力情况，在有限元仿真软件中依次：设置材料属性、选择网格单元类型并进行网格划分、设置接触属性、输入拉伸载荷边界条件，得到复合材料/钛合金连接结构的拉伸强度仿真结果。本专利技术涉及一种实现上述方法的试验系统，包括：复合材料板/钛合金连接模块、紧固件以及用以将试验样件与拉伸试验机相连的夹具。为了使试验样件受到均匀的拉伸载荷，所述的复合材料板/钛合金连接模块中复合材料板材的上下边界处钻削的小孔，小孔均匀排布。所述的复合材料板/钛合金连接模块中复合材料板材与夹具相接触的位置采用金属片加强，该金属片加强优选为7075铝合金材料，采用瑞士ergo1690丙烯酸结构胶将铝合金加强片与复合材料板材粘合。所述的铝合金加强片上设有的小孔且孔心位置与复合材料板材边缘小孔的位置重合，孔径与复合材料板上的小孔孔径相比较小，以避免复合材料板材率先在边缘处断裂。技术效果本专利技术整体解决了现有复合材料连接结构领域尚未明确一个统一的评价体系，存在复合材料连接结构装配效率低，适航评定效果差的问题。通过集群孔复合材料/钛合金连接结构的强度最大化方案，从连接方式、铺层方式、孔数量和空间形状四个维度使其拉伸强度达到最大。本专利技术通过建立渐进损伤模型，采用改进的三维Hashin失效判据，从微观角度探究复合材料层合板孔周围纤维、基体渐进损伤扩展与失效模式，通过仿真分析孔的数量和空间布局对连接结构静强度的影响规律，从结构角度实现了集群孔复合材料/钛合金叠层板连接结构强度的优化设计。附图说明图1为本专利技术方法流程示意图；图2为实施例仿真分析流程图；图3为孔心连线与受力方向角度呈0°时的实验样件及受力状态示意图；图4为孔心连线与受力方向角度呈45°时的实验样件及受力状态示意图；图5为孔心连线与受力方向角度呈90°时的实验样件及受力状态示意图；图中：夹具1、复合材料层合板2、钛合金板材3、铝合金加强片4；图6为孔心连线与受力方向角度呈0°的实验样件的位移载荷曲线示意图；图7为孔心连线与受力方向角度呈45°的实验样件的位移载荷曲线示意图；图8为孔心连线与受力方向角度呈90°的实验样件的位移载荷曲线示意图。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及的一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，通过有限元仿真的方法，对碳纤维复合材料/钛合金连接结构进行连接维度、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叠层板材集群孔实现方法，其特征在于，包括以下具体步骤：/n步骤一：使用有限元仿真软件，设计复合材料的本构模型、材料失效判据并建立三维复合材料/钛合金叠层板模型；/n步骤二：在单孔叠层板的基础上，更换不同的复合材料/钛合金的连接方式，即采用不同的紧固件类型获得不同的紧固件类型对叠层板结构的影响评价；/n步骤三：在单孔叠层板的基础上，采用单铺层与多铺层碳纤维复合材料两种不同的铺层方式获得复合材料不同的铺层角度对叠层板结构的影响评价；/n步骤四：在原有的叠层板单孔连接基础上，改变连接孔的数量获得连接孔数量及构成图形对连接结构承载性能的影响评价；/n步骤五：依据三维复合材料/钛合金叠层板模型的实际连接方式与受力情况，在有限元仿真软件中依次：设置材料属性、选择网格单元类型并进行网格划分、设置接触属性、输入拉伸载荷边界条件，得到复合材料/钛合金连接结构的拉伸强度仿真结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种叠层板材集群孔实现方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤一：使用有限元仿真软件，设计复合材料的本构模型、材料失效判据并建立三维复合材料/钛合金叠层板模型；
步骤二：在单孔叠层板的基础上，更换不同的复合材料/钛合金的连接方式，即采用不同的紧固件类型获得不同的紧固件类型对叠层板结构的影响评价；
步骤三：在单孔叠层板的基础上，采用单铺层与多铺层碳纤维复合材料两种不同的铺层方式获得复合材料不同的铺层角度对叠层板结构的影响评价；
步骤四：在原有的叠层板单孔连接基础上，改变连接孔的数量获得连接孔数量及构成图形对连接结构承载性能的影响评价；
步骤五：依据三维复合材料/钛合金叠层板模型的实际连接方式与受力情况，在有限元仿真软件中依次：设置材料属性、选择网格单元类型并进行网格划分、设置接触属性、输入拉伸载荷边界条件，得到复合材料/钛合金连接结构的拉伸强度仿真结果。


2.根据权利要求1所述的叠层板材集群孔实现方法，其特征是，所述的有限元仿真采用的ABAQUS或ANSYS，在软件内嵌的复合材料模块中构建复合材料实体模型，并与钛合金板材通过紧固件连接装配在一起，以此建立三维复合材料/钛合金叠层板模型；
所述的本构模型，针对复合材料各向异性的特征，在材料属性中构建复合材料的非线性本构关系；
所述的材料失效判据，通过在有限元仿真中设置三维Hashin准则作为复合材料失效判据。


3.根据权利要求1所述的叠层板材集群孔实现方法，其特征是，所述的紧固件类型包括螺栓连接和铆接，当采用螺栓连接方式时，干涉量范围设置为0-4.5％以获得最佳配合量以实现连接结构的最大强度。


4.根据权利要求1所述的叠层板材集群孔实现方法，其特征是，所述的单铺层是指：复合材料的铺层为单一方向且为0°、4...

【专利技术属性】
技术研发人员：安庆龙，刘畅，陈明，王贤锋，明伟伟，于思泓，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海飞机制造有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31