【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空航天结构强度分析领域，特别是涉及一种考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法。
技术介绍
1、复合材料结构具有很高的比强度和比模量(刚度)以及良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等优点。随着制造工艺的改进，复合材料的各项性能指标不断提高，越来越多航空航天工程结构中的主要受力构件已由复合材料制造，尤其是复合材料板壳结构在工程结构中经常被用作承载部件。
2、先进复合材料具有比强度和比刚度高、损伤后易修理和减振性能好等优势，因而在航空航天制造等重量敏感型结构中使用非常广泛。在客机制造中，复合材料的应用范围逐渐从非关键部件(如舱门、雷达罩等)、次要承载结构(如尾翼等)扩展到主要承载结构(如机翼、机身等)，相应的重量占比提高到50％左右。飞机壳体等薄板结构由许多零部件通过连接件组装而成，螺栓连接以其高可靠性、技术成熟、风险低等优点，仍旧是复合材料连接的主要技术方法之一。但连接件在制造过程中总是不可避免的包含几何误差，如制孔孔径与位置度误差等，这些几何误差极大地影响了各个螺栓承载状态与板内应力分布，影响整体结构承载能力和结构安全性。目前的分析方法主要面向螺栓载荷的预测，基于弹簧质量模型建立输入偏差与输出钉载的映射关系，未能考虑装配偏差对于复合材料板内应力场的影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，以解决上述现有技术存在的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法
3、获取零件初始制造偏差，基于高阶剪切位移场得到零件各单元刚度矩阵，将所述零件各单元刚度矩阵转化为零件总体刚度矩阵；
4、基于所述装配偏差构建复合材料板壳结构平衡方程的有限元形式；
5、基于所述零件总体刚度矩阵和所述复合材料板壳结构平衡方程的有限元形式构建考虑多源偏差的复合材料螺接结构力学平衡方程；
6、基于子结构方法将所述考虑多源偏差的复合材料螺接结构力学平衡方程缩减计算规模，获得计算缩减模型；
7、基于缩减关系式对所述计算缩减模型恢复为完整自由度，获得柔性装配偏差分析模型。
8、优选的，所述高阶剪切位移场的表达式为：
9、
10、其中，u、v、w分别为oxyz坐标系下x、y、z方向上的位移，为三个方向位移量组成的矩阵，φx和φy分别是绕y轴和x轴的转动，c1为结构参数满足c1＝4/3h2，h为板的厚度。
11、优选的，所述零件总体刚度矩阵的表达式为：
12、
13、其中，aij,bij,dij,eij,fij,hij为等效刚度系数，n表示铺层数目，表示第k层的材料刚度系数，zk和zk+1表示第k层的下表面和上表面z轴坐标。
14、优选的，所述单元插值函数的表达式为：
15、u＝h(x,y)·ue；
16、其中，u单元区域位移场，h(x,y)表示插值形函数，ue表示单元节点位移。优选的，所述平衡方程的表达式为：
17、[k+kb(u)+kc(u)]u＝f；
18、f表示外力列阵，kb表示螺栓连接约束刚度矩阵，kc表示接触刚度矩阵，k表示装配体刚度矩阵，u表示所有节点位移列阵。
19、优选的，所述平衡方程的有限元形式中局部接触刚度矩阵的表达式为：
20、
21、其中，kb表示螺栓连接约束刚度矩阵，k表示单个接触对的接触刚度，n表示接触对数量，i表示接触对序号。
22、优选的，基于子结构方法将所述考虑多源偏差的复合材料螺接结构力学平衡方程缩减计算规模后进行求解的表达式为：
23、
24、其中，u、和表示装配平衡方程分块后的位移阵、刚度阵和外力阵，各角标标识了对应的分块；“cf”表示受到恒定载荷的节点，包括无载荷作用点和重力类型恒定载荷点；“cu”表示受到恒定位移约束的节点；“r”标记其他节点，包括连接节点、测量点等；为位移恢复矩阵。
25、优选的，所述柔性装配偏差分析模型的分层应力表达式为：
26、
27、其中，是层合复合材料本构矩阵，εe为单元内的应变矩阵，是关于坐标的微分算子，d(z)为关于层间变形的微分算子矩阵，而b(x,y,z)是对位移d(z)h(x,y)进行微分后得到的单元应变矩阵；由此实现变形与应力的协同分析。
28、本专利技术的技术效果为：
29、(1)本专利技术所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，将由几何偏差引起的栓孔匹配间隙引入到螺栓连接结构中，实现了偏差影响下的钉载及应力/应变的协同分析；
30、(2)该方法考虑了栓/孔接触过程中的不同阶段，描述了其连接与接触关系，提出了一种局部刚度的经验公式，并基于弹簧质量法将其转换为装配体平衡方程的等效约束条件；
31、(3)该方法所建立的薄壁结构力学模型与装配连接等效约束关系适用于各种螺栓连接工况，且针对实际工程中可能存在的不同偏差分布类型，如正态分布、皮尔逊分布等，也可以通过该模型进行求解，获得不同偏差源下的统计数据。本专利技术所述的尺寸链建模方法具有较好的工程应用能力；
32、(4)该方法与传统直接有限元方法相比，采用子结构缩减计算规模，显著减少了参与非线性迭代计算的自由度数，具有简洁、求解效率高的特点，计算完成后通过位移/应力恢复可获得全局计算结果；
33、(5)结合基于能量方法的薄壁结构力学模型和装配连接等效约束关系构建柔性装配偏差分析模型，提出复合材料螺接装配仿真的确定性和统计性偏差仿真技术路线。该偏差模型提高了柔性偏差分析精度，扩展了分析对象的材料模型范围，实现了钉载/应力场的高效协同分析。
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1.一种考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述高阶剪切位移场的表达式为：
3.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述零件总体刚度矩阵的表达式为：
4.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述单元插值函数的表达式为：
5.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述平衡方程的表达式为：
6.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述平衡方程的有限元形式中局部接触刚度矩阵的表达式为：
7.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，基于子结构方法将所述考虑多源偏差的复合材料螺接结构力学平衡方程缩减计算规模后进行求解的表达式为：
8.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述柔性装配偏差分析模型的
...【技术特征摘要】
1.一种考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述高阶剪切位移场的表达式为：
3.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述零件总体刚度矩阵的表达式为：
4.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模方法，其特征在于，所述单元插值函数的表达式为：
5.根据权利要求1所述的考虑装配偏差的复合材料螺接结构建模...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，李志敏，万朋，覃霁，罗宽，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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