考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统。该方法包括：标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；根据材料属性以及接触特性建立几何与力协同插钉连接仿真模型；根据几何与力协同插钉连接仿真模型建立几何与力协同拉伸载荷仿真模型；根据几何与力协同拉伸载荷仿真模型对复合材料叠层结构拉伸过程进行应力分析，预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度。本发明专利技术能够提高了预测结果的准确性，避免了装配过程中对于复合材料叠层结构造成损伤的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及复合材料先进连接领域，特别是涉及一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]螺栓连接因其结构简单、方便拆卸、低成本等特点广泛应用于各类工程结构中，在应用先进复合材料现代飞行器制造中仍占有重要的地位。由于飞机结构上的每一个机械连接孔都破坏了材料完整性，影响机械连接部位服役强度的主要因素是孔边的应力集中、孔壁的微损伤以及制孔精度，尤其对于复合材料构件。因此连接孔的制孔精度和装配质量是影响飞机结构件连接可靠性和服役强度的关键因素。
[0003]CFRP材料是典型的难加工材料。CFRP层合板是具有非匀质性、各向异性、硬度高的非金属材料，层间结合强度极低，切削加工过程中容易出现分层、劈裂、径向挤伤、次表层损伤等加工缺陷。材料断裂形式以纤维的脆性断裂为主，碳纤维对刀具刃口的摩擦作用导致刀具刃口快速钝化，刀具寿命短。这些特征使得CFRP结构的制孔过程极为困难，制孔质量和制孔精度难以保证。在螺栓连接结构中，干涉配合用于金属连接件能成倍地提高结构的疲劳寿命，成为连接结构延寿的主要方法之一。然而，干涉螺栓在安装前钉杆直径大于孔径，需要借助机械外力进行安装。由于复合材料的低延伸率和非均匀性，螺栓的挤压对复合材料孔壁沿轴向和周向造成不同程度的损伤，导致连接结构过早失效。
[0004]从国内外研究现状可以看出，现有CFRP干涉螺栓连接结构装配过程研究主要集中在复合材料的损伤形式与应力分布。有限元方法是进行复合材料连接结构装配损伤与强度预测的一种方法，然而，在相关复合材料连接结构承载强度预测中，忽略了制孔精度以及制孔与装配过程中对连接部位造成的损伤，导致螺栓与孔壁之间的装配接触关系不准确，同时，制孔与装配过程复合材料孔壁残余应力场对连接结构的拉伸强度有着重要影响，现有模型预测结果不够准确。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统，以解决现有模型预测结果准确度低，导致装配过程中易对于复合材料叠层结构造成损伤的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法，包括：
[0008]标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩；
[0009]根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型；
[0010]根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型；
[0011]根据所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型对所述复合材料叠层结构拉伸过程进行应力分析，预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度。
[0012]可选的，所述标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性，具体包括：
[0013]标定所述制孔后的复合材料叠层结构的孔周区域的损伤范围；
[0014]将所述损伤范围内的复合材料叠层结构沿着垂直于纤维法向进行区域等距离切片，并标定每个切片区域的纤维体积系数以及孔隙系数；
[0015]根据所述纤维体积系数以及孔隙系数建立带有孔隙的微观代表性体积单元；
[0016]对所述带有孔隙的微观代表性体积单元进行六个自由度的单向加载，均质化计算带有制孔损伤的等效材料属性，建立考虑层内损伤与层间损伤的本构模型；
[0017]根据所述本构模型确定所述制孔后的复合材料叠层结构的材料属性；
[0018]将所述制孔后的复合材料叠层结构等分成4块，对每个等分后的复合材料叠层结构进行摩擦系数标定实验，定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性。
[0019]可选的，所述根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型，具体包括：
[0020]建立螺栓的三维几何模型，并根据所述材料属性建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；
[0021]在装配过程中所述复合材料叠层结构的层合板之间面面接触，对孔壁区域进行十字分块，在所述螺栓与每一块所述复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，并将所述摩擦关系添加至所述接触特性；
[0022]限制复合材料叠层结构及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓水平方向与垂直方向上移动的五个自由度，设置螺栓沿孔轴向位移，建立干涉插钉载荷约束，并在上述限制下，根据所述带有制孔损伤的等效材料属性建立复合材料应力
‑
应变本构关系；
[0023]根据所述复合材料应力
‑
应变本构关系以及添加有摩擦关系的接触特性确定所述螺栓与所述复合材料孔壁区域之间的接触应力；
[0024]基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据所述接触应力，采用最大应力准则和三维Hashin失效准则对所述复合材料叠层结构进行损伤分析，建立所述几何与力协同插钉连接仿真模型。
[0025]可选的，所述根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型，具体包括：
[0026]读取插钉连接仿真结果文件，输出插钉连接过程的残余应力场与损伤场；所述插钉连接仿真结果文件为所述几何与力协同插钉连接仿真模型所得到的结果文件；
[0027]根据所述插钉连接仿真结果文件，建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；
[0028]基于所述设定操作，选取所述几何与力协同插钉连接仿真模型中最后一个分析步骤结果，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程；
[0029]根据所述失效判据与刚度折减模型对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型。
[0030]一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真系统，包括：
[0031]材料属性与接触特性确定模块，用于标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩；
[0032]几何与力协同插钉连接仿真模型建立模块，用于根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型；
[0033]几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立模块，用于根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法，其特征在于，包括：标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩；根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型；根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型；根据所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型对所述复合材料叠层结构拉伸过程进行应力分析，预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度。2.根据权利要求1所述的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法，其特征在于，所述标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性，具体包括：标定所述制孔后的复合材料叠层结构的孔周区域的损伤范围；将所述损伤范围内的复合材料叠层结构沿着垂直于纤维法向进行区域等距离切片，并标定每个切片区域的纤维体积系数以及孔隙系数；根据所述纤维体积系数以及孔隙系数建立带有孔隙的微观代表性体积单元；对所述带有孔隙的微观代表性体积单元进行六个自由度的单向加载，均质化计算带有制孔损伤的等效材料属性，建立考虑层内损伤与层间损伤的本构模型；根据所述本构模型确定所述制孔后的复合材料叠层结构的材料属性；将所述制孔后的复合材料叠层结构等分成4块，对每个等分后的复合材料叠层结构进行摩擦系数标定实验，定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性。3.根据权利要求2所述的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法，其特征在于，所述根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型，具体包括：建立螺栓的三维几何模型，并根据所述材料属性建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；在装配过程中所述复合材料叠层结构的层合板之间面面接触，对孔壁区域进行十字分块，在所述螺栓与每一块所述复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，并将所述摩擦关系添加至所述接触特性；限制复合材料叠层结构及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓水平方向与垂直方向上移动的五个自由度，设置螺栓沿孔轴向位移，建立干涉插钉载荷约束，并在上述限制下，根据所述带有制孔损伤的等效材料属性建立复合材料应力
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应变本构关系；根据所述复合材料应力
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应变本构关系以及添加有摩擦关系的接触特性确定所述螺栓与所述复合材料孔壁区域之间的接触应力；基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据所述接触应力，采用最大应力准则和三维Hashin失效准则对所述复合材料叠层结构进行损伤分
析，建立所述几何与力协同插钉连接仿真模型。4.根据权利要求3所述的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法，其特征在于，所述根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型，具体包括：读取插钉连接仿真结果文件，输出插钉连接过程的残余应力场与损伤场；所述插钉连接仿真结果文件为所述几何与力协同插钉连接仿真模型所得到的结果文件；根据所述插钉连接仿真结果文件，建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；基于所述设定操作，选取所述几何与力协同插钉连接仿真模型中最后一个分析步骤结果，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程；根据所述失效判据与刚度折减模型对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型。5.一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真系统，其特征在于，包括：材料属性与接触特性确定模块，用于标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩；几何与力协同插钉连接仿真模型建立模块，用于根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型；几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆彬，胡文龙，张开富，王青松，王岚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：