一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法与流程

本发明涉及运载器、飞行器强度设计领域，具体涉及舱体主结构强度的数值分析方法。

背景技术：

当前的航天发展形势给仿真行业提出了空前的挑战。一方面，轻量化设计使得结构设计裕度不断降低，这给仿真预试的准确性提出了严格的要求。另一方面，密集发射、密集设计又使得工作效率需要不断提升，落实在仿真行业即为不断地提升仿真建模和分析效率。对于复杂载荷、复杂布局的舱体结构，仿真方法准确性和计算效率的矛盾更为突出，因此必须研究一种可以兼顾准确性和计算效率的有限元分析方法。

传统的有限元分析常采用多模型计算解决以上矛盾。建立整体模型用于分析结构整体稳定性和主传力部件的强度失效问题。建立局部模型用于分析局部区域在承受复杂载荷下可能发生的失效问题。这种分析思想隐藏了三个隐患。首先，整体模型的简化有可能忽略结构传力路径上的失效行为。例如，部件之间的连接若采用刚性约束代替，则无法分析出连接失效形式。其次，局部模型往往与整体模型割裂。局部模型的分析区域往往由设计师凭借工程经验确定，可能与整体模型的危险区域并不一致。而且，局部模型的边界常为固支或简支边界，与整体模型并无关系。这种割裂使得局部模型分析的覆盖度和精度有一定程度的降低。

本发明公开了一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，该方法能够准确、有效地计算复杂舱体的失效位置与承载能力，可以广泛应用于航天运载器、飞行器的舱体结构设计。

技术实现要素：

本发明提供一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，吸取了传统有限元的多模型分析思想，但通过识别破坏行为、引入多模型之间的边界关系，建立多模型之间的联系，避免传统多模型分析覆盖性和精度降低的隐患。这种分析方法的计算效率和计算精度已得到多次的静力试验验证。

本发明通过以下技术方案实现：

一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，包括以下步骤：

s1：建立舱体主结构全尺寸有限元模型作为1级母模型；

s2：针对主结构失效方式进行有限元计算，计算载荷为设计载荷，计算方法涵盖结构稳定性分析和静力强度分析；

s3：进行主结构稳定性分析后处理，分析失稳载荷低于1.5倍设计载荷的局部失稳位置，进行危险性评估后选定细化分析区域；

s4：进行主结构静力强度分析后处理，分析强度剩余系数低于1.3的应力危险区域，进行危险性评估后选定细化分析区域；

s5：以s3、s4中的细化分析区域建立有限元1级子模型，视模型进行单元简化；

s6：建立子模型与母模型的有限元过渡模型，该模型可以真实地传递母模型内部边界区域的位移场和应力场；

s7：将含有过渡模型的子模型提交有限元计算；

s8：如果1级子模型仍不能详细反映结构破坏方式，可以1级子模型作为2级母模型，重复s1～s6步骤，直至模型足够精细。

较佳的，步骤s1中蒙皮、桁条、框、加强件均简化为板单元，铆钉或螺栓简化为梁单元。梁单元与板单元之间采用共节点或局部多点约束连接。

较佳的，步骤s5中，蒙皮仍简化为板单元，桁条、框、加强件简化为体单元或板单元，铆钉或螺栓简化为体单元或梁单元。各部件之间采用最为真实的连接模拟方式。

较佳的，步骤s5中的连接模拟方式为三维有限元模型的接触关系，包括法向与切向的接触关系。

较佳的，步骤s6中的连接模型细化为：单纯的子模型，其外部边界的场变量由母模型内部边界提供；子模型、母模型混合模型，子模型外部边界与母模型内部边界通过共节点、多点约束、壳与实体耦合约束等方式连接。

附图说明

图1为本发明一舱体结构示意图；

图2为本发明一舱体结构有限元分析1级母模型示意图；

图3为本发明一舱体结构有限元分析1级子模型示意图；

图4为本发明一舱体结构有限元分析1级子模型失效机制图；

图5为本发明提供一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为本发明实施例的一个舱体主结构示意图，结构在接头处承受集中载荷。

本发明提供的复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，较为详细的，包括以下步骤：

步骤1：建立舱体结构全尺寸有限元模型作为母模型。如图2右侧，蒙皮简化为弱刚性板单元，桁条、框、接头简化为板单元；如图2左侧，铆钉或螺栓简化为梁单元。梁单元与板单元之间采用共节点约束；

步骤2：针对舱体结构全尺寸模型进行有限元计算，选用软件为abaqus，选用计算步为static,general/static,riks，前者用于计算结构强度，后者用于计算结构稳定性，设计载荷为3000kn；

步骤3：根据稳定性分析结果，失稳载荷超过1.5倍设计载荷。根据强度分析结果，应力危险区域在接头附近，表现为接头和接头下方的连接件破坏。综合分析结果，选取接头附近作为细化分析区域，如图3所示；

步骤4：将母模型的接头附近区域删除，替换为子模型，即接头、框、桁、力扩散板、螺栓、铆钉均简化为体单元，蒙皮简化为板单元。各体单元之间均采用接触连接，蒙皮与其他部件之间采用刚性约束连接；

步骤5：将子模型、母模型之间的边界均用刚性约束连接，如图3所示；

步骤6：将新的修正模型提交静力有限元计算，仍选用static,general计算步，接头处仍施加3000kn设计载荷；

步骤7：将修正模型进行有限元后处理，可以辨认出接头、连接件各剖面的应力云图，如图4所示。

该方法通过母模型分析精确识别稳定性破坏模式和主结构强度破坏模式，并大致判断出连接件的破坏模式，进一步通过子模型精确识别部件和连接件的破坏行为。通过子模型、母模型的边界耦合，使得分析规模大幅度降低，并保证了子模型的边界准确性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：

技术总结
本发明公开的一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，包括以下步骤：S1：建立舱体主结构全尺寸有限元模型作为1级母模型；S2：针对主结构失效方式进行有限元计算，计算方法涵盖结构稳定性分析和静力强度分析；S3：对主结构失稳载荷低于1.5倍设计载荷的局部失稳位置进行危险性评估，选定细化分析区域；S4：对主结构强度剩余系数低于1.3的应力危险区域进行危险性评估，选定细化分析区域；S5：以S3、S4中的细化分析区域建立有限元1级子模型；S6：建立子模型与母模型的有限元连接模型；S7：将含有过渡模型的子模型提交有限元计算；S8：重复S1～S7步骤，直至模型足够精细。

技术研发人员：冀宾;史立涛;杨颜志;王瑞凤;李昊;吕榕新;张修科
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：2017.05.19
技术公布日：2017.09.08