用于模拟两个部件的粘合接头的特性的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于模拟具有粘合材料层（１３）的两个复合材料部件（１１，１５）的粘合接头的特性的方法，包括下述步骤：ａ）提供具有用于分析结构接头的所有相关信息的有限元模型；ｂ）提供用于在粘合材料层（１３）经受拉伸／剥离和剪切应力时计算粘合材料层（１３）的变形的计算模型，包括处于拉伸／剥离状态下的线性类型和处于剪切状态下的非线性类型的粘合剂的塑料特性；ｃ）通过应用计算模型，模拟粘合接头的特性，以获得每个故障模式的故障指数。本发明专利技术还涉及一种用于采用所述结构接头的由计算机执行的有限元模型辅助设计所述结构接头的系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于模拟通过粘合层接合的两个部件的接头的特性(behavior)的方 法，且更特别地，涉及用在航空结构中诸如平翼板和加强元件之类的两个复合材料部件的 接头。
技术介绍
在航空结构的设计使用复合材料在二次世界大战之后逐渐开始。最初的材料(基 本上是埋入聚脂树脂中的玻璃纤维)用在诸如雷达罩、天线的保护装置和船体的次要结构 元件的设计中。新材料研究的不断发展已经导致在更多的飞机零件中逐渐使用这些新材 料。当研究复合材料的飞机结构的更大的部件的设计开始时，自从用复合材料完整设 计的客机的第一主要结构元件的验证的里程碑在二十世纪八十年代实现之后到今天，这些 材料的性能和它们特性的知识两者的加速发展已经经过了 25年。大多数用在航空工业中的复合材料由以预浸渍材料或“预浸料”形式埋入热硬化 性或热塑性树脂基质中的纤维或纤维束构成。非详尽地，可以在三个基本方面列举复合材料的优势-它们相对于金属材料的高强度系统。它是强度/重量综合体。-它们在疲劳载荷下出色的特性。-隐藏在材料的各向异性后面的结构最佳化的可能性和结合具有不同取向的纤维 的可能性，允许设计具有根据施加的载荷适应不同需求的不同机械特性的元件。虽然能够以单个部件制造诸如加强板之类具有复杂形状的航空结构，但通过更有 效的是分开制造翼板和加强杆，随后通过粘合元件连接它们，在这种情况中，被连接的部件 的结构特性在逻辑上取决于每个组成部件的特性和所使用的粘合元件的特性，必须以非常 苛刻的损坏标准设计粘合元件。在现有技术已经主要采用两种方法来分析复合材料部件的粘合接头特性测试方 法和分析方法。测试方法的优点在于它们允许在没有任何主要的复杂因素的情况下分析复杂的 (实际)几何形状和考虑非线性效应和荷载偏心，并且它们的缺点是它们不允许进行参数 分析，而参数分析在设计活动是重要的，并且它们复杂且很昂贵。分析方法的优点在于，一旦实施，它们使得计算成本降低，且它们允许进行快速的 参数分析(这在设计中是重要的)，并且它们的缺点是它们不(简单地)预期两个尺寸问题 和/或非线性问题，诸如涉及大位移和旋转的问题、粘性材料的塑料特性、取决于结构变形 的施加的载荷的方向。本专利技术的目标是解决这些方法的不足。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供用于模拟两个复合材料部件之间的粘合接头的方法和系统， 其便于确定其损坏标准。本专利技术的另一个目标是提供用于模拟两个复合材料部件之间的粘合接头的方法 和系统，其允许考虑这些类型结构特性的非线性典型性来确定其损坏标准。本专利技术的另一个目标是提供用于模拟两个复合材料部件之间的粘合接头的方法 和系统，其便于为接头元件的几何参数的不同值确定其损坏标准，因此便于接头的参数分 析，特别是在存在于代表航空结构的加强板中的接头的情况中。在第一方面中，通过用于辅助设计具有粘合材料层的两个复合材料部件的结构接 头的计算机辅助方法实现这些和其它方面，该方法包括下述步骤-提供用于分析所述结构接头的具有全部相关信息的有限元模型；-提供用于在粘合材料层经受拉伸/剥离和剪切应力时计算粘合材料层(13)的变 形的计算模型，包括处于拉伸/剥离状态下的线性类型和处于剪切状态下的非线性类型的 粘合剂的塑料特性；-通过应用所述计算模型，模拟所述粘合接头的特性，以获得每个故障模式的故障 指数。在第二方面中，通过用于辅助设计具有粘合材料层的两个复合材料部件的结构接 头的系统实现这些和其它目标，该系统包括_所述结构接头的由计算机执行有限元模型，具有用于在粘合材料层经受拉伸/ 剥离和剪切应力时计算粘合材料层的变形的计算模型，包括处于拉伸/剥离状态下的线性 类型和处于剪切状态下的非线性类型的粘合剂的塑料特性，其允许模拟所述粘合接头的特 性，以获得每个故障模式的故障指数；-由计算机执行的模数，该模数包含所述接头的相关特性的参数定义，并且允许提 供所述有限元模型的输入数据；本专利技术的其它特征和优点将从接下来的与附图相关的目标的说明性实施方式的 详细描述推断出。附图说明图1为两个复合材料部件平翼板和加强元件之间的粘合接头的示意图。图2为本专利技术的方法目标的结构图。图3示出了粘合材料的塑料特性的分析模型。图4示出了处于拉紧和处于剪切下的粘合材料的去耦塑料特性。图5示出了用于本专利技术的方法目标的实施方式中的FEM模型。图6示出了用来采用NASTRAN软件模拟接头的基本部件的元件。图7示出了分配至连接粘合层的中面(mid-surface)上的每对同一位置节点的弹 簧的区域。图8和9示意性地示出了计算拉伸/剥落和剪切刚性的方法。图10示出了用于在塑性分析中通过迭代过程计算刚性的过程。图11、12和13示出了在塑性分析实现收敛所必需的迭代结果。图14和15示出了通过本专利技术的方法目标获得的结果。 具体实施例方式如图1中所示的粘合接头经常用在航空结构中的加强板中，在图1中加强板15通 过粘合层13连接至翼板11。这些类型的粘合接头的问题是具有下列基本特性的问题-它是二维问题，其可以具有复杂的几何形状。_三维粘合体中的应力条件包括拉伸(剥离)应力和剪切应力。-会出现由于翘曲现象导致的大位移或者由于由载荷偏心引起的粘合层的大旋转。-粘合剂具有处于剪切的塑料特性。以下详细描述本专利技术的方法的实施方式，包括下述三个主要步骤-准备步骤21，包括定义粘合接头的材料特性的子步骤23、定义接头的几何特性 的子步骤25和形成用于计算粘合层中的应力变形的计算模型的子步骤27。-计算步骤31，包括用于执行塑性处理的迭代过程的子步骤33。_结果显示步骤41。在定义接头的材料特性的子步骤23中采取下述假定-翼板11和纵梁15(S卩，粘附元件)由以线性弹性方式工作的层叠的(正交各向 异性)复合材料薄板的制成。_粘合层13的材料是各向同性的，并且特征在于具有处于拉伸和处于剪切的去耦 的(decoupled)塑料特性。在拉伸状态下，它以线性弹性方式表现出具有脆性断裂，在剪切 状态下，它以非线性方式表现处具有大的塑性断裂变形(取决于粘合剂的类型，Y约为0.3 至 0. 4)。-给定工作温度，具有变形率的粘合材料的特性的依赖性被放弃。_根据使用的粘合材料的类型、粘合层的厚度、接头的几何尺寸和该接头工作方式 对塑料特性模型化。如下文说明的那样，具有根据前一段中所列出的特性表现更好或更坏的不同的增 塑标准。如从图3中可以推断出来，一方面根据不同的分析标准，另一方面根据实际试验 结果，在图3中用图表示出了根据不同分析标准抵抗对接型试样的变形的应力，最好的分 析标准是二次Drucker-Prager标准。当流体静应力具有大的值时，无论它为正或为负，线 性标准都产生大于实际应力的增塑应力。这使得不推荐它用于加强杆和翼板之间的粘合接 头，因为存在具有大的流体静应力值的区域是很普遍的。考虑流体静应力的增塑标准实际上基于微腔的产生和合并以近似的方式模拟拉 伸应力在增塑过程中具有的作用。这是当在粘合层中出现大量变形时将要考虑的现象，它 们是意图基本上在拉伸状态进行工作的接头。如已经提及的那样，取决于粘合剂是否经受剪切或拉伸或剥离，粘合剂的塑料特 性大不相同。这可以在示出实际试验结果的图4中看出。处于剥离状态下的特性实质上是 线性的，并且在应力水平达到某一标准值时出现故障，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算机辅助方法，用于辅助设计具有粘合材料层（１３）的两个复合材料部件（１１，１５）的结构接头，包括下述步骤：ａ）提供用于分析所述结构接头的具有全部相关信息的有限元模型；ｂ）提供用于在粘合材料层（１３）经受拉伸／剥离和剪切应力时计算粘合材料层（１３）的变形的计算模型，所述计算模型包括处于拉伸／剥离状态下的线性类型和处于剪切状态下的非线性类型的粘合剂的塑料特性；ｃ）通过应用所述计算模型，模拟所述粘合接头的特性，以获得每个故障模式的故障指数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】ES 2008-1-30 P200800236一种计算机辅助方法，用于辅助设计具有粘合材料层(13)的两个复合材料部件(11，15)的结构接头，包括下述步骤a)提供用于分析所述结构接头的具有全部相关信息的有限元模型；b)提供用于在粘合材料层(13)经受拉伸/剥离和剪切应力时计算粘合材料层(13)的变形的计算模型，所述计算模型包括处于拉伸/剥离状态下的线性类型和处于剪切状态下的非线性类型的粘合剂的塑料特性；c)通过应用所述计算模型，模拟所述粘合接头的特性，以获得每个故障模式的故障指数。2.根据权利要求1所述的计算机辅助方法，特征在于，通过二维元件模拟所述两个复 合材料部件(11，15)，并通过弹簧元件(1，2)模拟粘合层(13)。3.根据权利要求1至2中的任一项所述的计算机辅助方法，特征在于，所述两个复合材 料部件(11，15)为航...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊格纳西奥里韦拉罗德里格斯，胡安路易斯德拉甘达拉贝拉诺，
申请(专利权)人：空客运营有限公司，
类型：发明
国别省市：ES[西班牙]