本發(fā)明屬于飛機結(jié)構設計技術領域，尤其涉及一種變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法。

背景技術：

為減輕飛機結(jié)構重量、提高比強度、保證飛行安全性，現(xiàn)代飛機廣泛使用金屬與復合材料的混合結(jié)構，混合結(jié)構采用螺栓進行連接。金屬-復材混合結(jié)構中，金屬與復合材料的熱膨脹系數(shù)不一致，導致金屬-復材結(jié)構變形不一致，以至于采用金屬-復材混合結(jié)構的飛機在不同的工作溫度下產(chǎn)生連接內(nèi)力，連接內(nèi)力作用于連接螺栓，此連接載荷是一種附加于結(jié)構的不利結(jié)構反力。目前這種金屬-復材混合結(jié)構的連接內(nèi)力評估計算限于工程方法，計算精度低，亟需一種對其連接內(nèi)力計算精度較高的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法，用于解決目前金屬與復材的混合連接結(jié)構在變溫下，產(chǎn)生不同的內(nèi)力。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法，其包括

步驟一：受力形式的初步工程分析

對金屬-復材混合結(jié)構進行受力分析，其中次要因素予以簡化，對主承力結(jié)構進行細節(jié)分解；

步驟二：金屬復材混合結(jié)構的材料非線性分析

經(jīng)過初步分析，建立金屬-復材混合結(jié)構的有限元模型，所述有限元模型中分別加入金屬和復材的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的材料非線性特性；

步驟三：金屬-復材混合結(jié)構的接觸非線性分析

變溫度下金屬-復材結(jié)構內(nèi)力由螺栓接觸承擔，建立螺栓-金屬板、螺栓-復合材料、金屬板-復合材料的多對摩擦彈塑性接觸對以模擬金屬-復材混合結(jié)構的實際傳力路線；

步驟四：對金屬-復材混合結(jié)構進行實體有限元網(wǎng)格剖分

主承力結(jié)構細節(jié)分解，對高應力區(qū)進行小尺寸單元六面體網(wǎng)格剖分模擬結(jié)構傳載及關鍵部位應力水平，對其他區(qū)域進行一次的粗網(wǎng)格剖分；

步驟五：對金屬-復材混合結(jié)構施加溫度載荷

步驟六：對金屬-復材混合結(jié)構進行靜態(tài)求解，獲得溫度載荷下的螺栓內(nèi)力，并確定金屬-復材混合結(jié)構的高應力區(qū)應力應變數(shù)值。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例的是，次要因素包括螺紋牙形狀、螺母外形，簡化形式如忽略螺紋牙、將螺母螺栓整體受力。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例的是，所述連接件為螺栓。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例的是，螺栓-金屬板、螺栓-復材局部接觸區(qū)域

本發(fā)明一優(yōu)選實施例的是，采用的有限元軟件包括narstan。

本發(fā)明一優(yōu)選實施例的是，小尺寸單元的網(wǎng)格尺寸小于粗網(wǎng)格的尺寸。

本發(fā)明的變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法具有如下優(yōu)點：

1)對變溫度下的金屬復材混合結(jié)構進行連接內(nèi)力分析，提高計算分析精度，保證飛機飛行安全性與可靠性；

2)高精度的連接內(nèi)力分析保證了連接標準件的選取，解決了“結(jié)構重量偏于保守”的問題，有效減輕結(jié)構重量。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。

圖1為本發(fā)明中的變溫度下金屬-復材混合結(jié)構示意圖。

圖2為本發(fā)明一實施例的復合材料隨溫度變化的變形曲線圖。

圖3為本發(fā)明一實施例的金屬結(jié)構隨溫度變化的變形曲線圖。

圖4為本發(fā)明一實施例的金屬-復材混合結(jié)構在低溫和高溫環(huán)境下的變形示意圖。

圖5為本發(fā)明一實施例的金屬-復材混合結(jié)構網(wǎng)格劃分示意圖。

圖6為本發(fā)明一實施例的溫度載荷施加示意圖。

圖7為本發(fā)明一實施例的螺栓排號-螺栓承載剪力示意曲線圖。

圖8為本發(fā)明一實施例的金屬-復材混合結(jié)構仿真圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。

如圖1所示為本發(fā)明中的變溫度下的金屬-復材混合結(jié)構，金屬板1與復材板2通螺栓3連接，由于金屬板1與復材板2在在不同溫度下的變形系數(shù)或變形量不同，因此會造成金屬與復材混合結(jié)構的整體變形不同。

如圖2和圖3所示，其分別為復合材料和金屬結(jié)構隨溫度變化下的變形量示意圖。對比圖2和圖3可以看到，復合材料的溫度-變形曲線呈“s”型，而金屬的溫度-變形曲線呈指數(shù)型，而金屬與復合材料在不同溫度下的變形量還存在量級上的差距，當金屬-復材混合結(jié)構在相同初始溫度向相同最終溫度變化時，由于復合材料和金屬的變形量不一致，而金屬-復合材料混合結(jié)構通過螺栓連接在一起，因此不一樣的變形量將會導致金屬板1與復材板2之間產(chǎn)生相互擠壓的內(nèi)力并傳遞給螺栓3。

如圖4所示即為本發(fā)明一實施例的金屬-復材混合結(jié)構在變溫度下的變形示意圖，在常溫環(huán)境下將金屬板1與復材板2通過連接件3連接固定在一起，之后將金屬-復材混合結(jié)構置于低溫環(huán)境下(0度以下)，由于金屬在低溫環(huán)境的縮小變形量大于復合材料在低溫環(huán)境下的縮小變形量，因此造成金屬板2向內(nèi)彎曲(圖4中右上圖所示)，而在高溫環(huán)境下(0度以上)，由于金屬在低溫環(huán)境的膨脹變形量大于復合材料在低溫環(huán)境下的膨脹變形量，因此造成金屬板2向外彎曲(圖4中右下圖所示)。不管是何種情況，與金屬連接的復合材料均承受額外的內(nèi)力。

而為了減小變化的溫度對金屬-復材混合結(jié)構的影響，遂采用本發(fā)明的變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法。

為了更高的對本發(fā)明的變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法進行說明，以如下具體數(shù)據(jù)對本發(fā)明進行說明，以下數(shù)據(jù)僅為示例：

本發(fā)明的實施例中原始輸入條件為：復合板2的鋪層[±45/(0/90)/(0/90)/(0/90)/(0/90)/±45/±45/(0/90)]s，螺栓3的直徑d＝6mm，金屬板1為鋁合金，厚度為5mm。

圖4所示的金屬-復材混合結(jié)構即為本實施例中某型飛機金屬-復材混合結(jié)構中一部分，金屬-復材混合結(jié)構于室溫下進行裝配(圖4左側(cè))，當飛機高空飛行時，飛機周圍環(huán)境溫度較低，金屬-復材混合結(jié)構發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，變形形狀如圖5右上所示，原因為金屬結(jié)構收縮率大，而復材收縮率?。划旓w機處于高溫環(huán)境(或熱帶環(huán)境)下，其周圍環(huán)境溫度較高，金屬結(jié)構熱膨脹率大，而復合材料熱膨脹率小，因此發(fā)生的不協(xié)調(diào)變形如圖5右下所示，產(chǎn)生以上兩種不同的不協(xié)調(diào)變形的內(nèi)力由螺栓承受。

以圖4所示的金屬-復材混合結(jié)構中的某個連接螺栓進行詳細說明(可參見圖1所示結(jié)構)，由于螺栓3主要承受剪力，螺栓3拉力的由螺紋牙和螺母承受，拉力很小，因此在如圖1所示的受力環(huán)境中，忽略螺紋牙及螺母的外形形狀。而螺栓3承受的主要力為剪力，螺栓3周圍區(qū)域為主要受力部分，因此主要受力部分為螺栓3-金屬板1、螺栓3-復材板2、金屬板-復材板2的局部接觸區(qū)域。

上述金屬-復材混合結(jié)構中的金屬板1、復材板2的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生非線性變化，因此在建立的金屬-復材混合結(jié)構的有限元模型中加入金屬、復材的材料非線性數(shù)據(jù)，可得材料非線性對金屬-復材混合結(jié)構變形的影響。

在溫度載荷作用下，金屬-復材混合結(jié)構的內(nèi)力由螺栓3承擔，建立的螺栓3-復材板2、螺栓3-金屬板1、復材板2-金屬板3的接觸對。以圖1所示的結(jié)構為例，單個螺栓共建立了5對接觸對，分別為螺栓頭-金屬板1，螺桿-金屬板1，螺桿-復材板2，螺母-復材板2，金屬板1-復材板2接觸對(即圖1加粗黑線所示部位)。

依據(jù)上述步驟建立的接觸對，對接觸對區(qū)域進行小尺寸單元六面體網(wǎng)格剖分以模擬金屬-復材混合結(jié)構的傳載及關鍵部位(局部接觸區(qū)域)的應力水平，對其他區(qū)域進行一次的粗網(wǎng)格剖分，如圖5所示共建立的十個螺栓，從左至右依次編號為l1至l10。在本實施例中，小尺寸單元的網(wǎng)格大小為1.5mm左右，以及其他區(qū)域為非高應力區(qū)。

對金屬-復材混合結(jié)構施加溫度載荷，溫度載荷施加曲線如圖6所示，從圖中可以看到，金屬-復材混合結(jié)構施加的隨時間變化的溫度施加時間很短，僅為3秒。金屬-復材混合結(jié)構在很短時間內(nèi)由常溫到低溫最后至高溫環(huán)境，施加的兩個過程基本為線性。

本實施例中建模及分析采用narstan有限元軟件，并選擇靜態(tài)求解器求解，得到各個螺栓3連接內(nèi)力及關鍵部位的應力應變數(shù)值，如圖7和圖8分別給出了變溫度下螺栓連接內(nèi)力分配及高應力結(jié)構應力數(shù)值。

圖7為采用的十個不同排號(直徑)的螺栓與承載剪力曲線示意圖，其中，螺栓3的排號從小到大到依次為遠離邊界施加位置的螺栓，施加位置在圖7中的左側(cè)，從圖中可以看到，隨著螺栓排號的增大，其承受的剪力越小，排號-剪力的關系圖為非線性曲線。

圖8即為圖5中的螺栓受力云圖，螺栓剪力-螺栓排號為多項式形式，復材與螺栓接觸的區(qū)域應變水平較高(淺顏色)，為金屬-復材混合結(jié)構的危險部位。

本發(fā)明的變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法還得到了相應試驗的驗證，表1給出了上述典型剖面的有限元分析應變結(jié)果、工程計算結(jié)果與試驗結(jié)果的數(shù)值比較。經(jīng)過對比分析表明，本發(fā)明的采用非線性有限元分析的變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法計算精度高，最大誤差不超過6％，而工程方法對評估類似金屬-復材混合結(jié)構傳載結(jié)構具有保守性，最大保守量達28％(即誤差)。

表1典型剖面實測應變與分析應變對比

本發(fā)明的變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法具有如下優(yōu)點：

(1)對變溫度下的金屬-復材混合結(jié)構進行連接內(nèi)力分析，提高計算分析精度，保證飛機飛行安全性與可靠性；

(2)高精度的連接內(nèi)力分析保證了連接標準件的選取，解決了“結(jié)構重量偏于保守”的問題，有效減輕結(jié)構重量。

本發(fā)明針對不同溫度下的金屬-復材混合結(jié)構給出了一套確定計算其連接內(nèi)力的方法，克服了傳統(tǒng)的“工程經(jīng)驗算法”的缺陷，其不僅適用于變溫度下金屬-復材混合結(jié)構中受力較大的飛機關鍵部位(如飛機翼面)，確保飛機結(jié)構安全，還適用于飛機結(jié)構中受力較小的其他部位，本發(fā)明的變溫度下金屬與復材混合結(jié)構中螺栓連接內(nèi)力計算方法具有較大實際應用價值，已在多個飛機型號中使用。

以上所述，僅為本發(fā)明的最優(yōu)具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。