叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法与流程

本发明涉及的是一种复合材料结构领域的技术，具体是一种提高碳纤维复合材料与钛合金连接结构的承载性能的叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法。
背景技术：
：碳纤维增强树脂基复合材料(cfrp)具有比重小、强度高、刚性好等诸多优良的物理力学特性，在大型客机和航天器的设计制造中得到广泛的关注与应用。碳纤维复合材料主要应用在飞机的机翼、尾翼、机身，以及越来越多的主承力结构件上，因此强化碳纤维复合材料的连接性能极为重要。目前，碳纤维复合材料叠层板材的连接方法主要有5种，分别为机械连接、胶接、缝合连接、z-pin连接和机械连接/胶接混杂连接。由于碳纤维复合材料剪切、抗拉强度低、塑形差，钻孔后孔的周围出现应力集中导致连接结构易损坏。现有复合材料连接结构领域尚未明确一个统一的评价体系，存在复合材料连接结构装配效率低，适航评定效果差等问题，影响了复合材料广泛应用的可行性。在复合材料板材集群孔设计领域，如何在有限的板材尺寸范围内，通过合理设计复合材料板材的铺层方式、叠层板材的连接方式、集群孔的空间分布以及大小，以提高复合材料板材的强度和复合材料叠层板材连接结构的承载性能，形成完善的集群孔评价体系，是一件国内空白，且亟待研究的工作。技术实现要素：本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，通过建立渐进损伤模型，采用hashin失效判据，从微观角度探究复合材料层合板孔周围纤维、基体渐进损伤扩展与失效模式，通过仿真分析孔的数量和空间布局对连接结构静强度的影响规律，从结构设计角度实现了复合材料/钛合金叠层板连接结构集群孔强度的优化设计。本发明是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，包括以下步骤：步骤一：使用有限元仿真软件，设计复合材料的本构模型、材料失效判据并建立三维复合材料/钛合金叠层板模型。所述的有限元仿真采用的但不限于abaqus或ansys，在软件内嵌的复合材料模块中构建复合材料实体模型，并与钛合金板材通过紧固件连接装配在一起，以此建立三维复合材料/钛合金叠层板模型。所述的本构模型，针对复合材料各向异性的特征，在材料属性中构建复合材料的非线性本构关系。所述的材料失效判据，通过在有限元仿真中设置三维hashin准则作为复合材料失效判据。步骤二：在单孔叠层板的基础上，更换不同的复合材料/钛合金的连接方式，即采用不同的紧固件类型获得不同的紧固件类型对叠层板结构的影响评价。所述的紧固件类型包括螺栓连接和铆接，当采用螺栓连接方式时，干涉量范围设置为0-4.5％以获得最佳配合量以实现连接结构的最大强度。所述的紧固件材料采用航空飞机广泛应用的钛合金材料。步骤三：在单孔叠层板的基础上，采用单铺层与多铺层碳纤维复合材料两种不同的铺层方式获得复合材料不同的铺层角度对叠层板结构的影响评价。所述的单铺层是指：复合材料的铺层为单一方向，优选为0°/45°/-45°/90°。所述的多铺层是指：复合材料的铺层是多个方向，优选为[90°，0°，±45°]、[90°，0°，±45°]等。步骤四：在原有的叠层板单孔连接基础上，改变连接孔的数量获得连接孔数量及构成图形对连接结构承载性能的影响评价。所述的改变连接孔的数量，包括：2个连接孔、3个连接孔或4个连接孔，其中：2个连接孔是指：2个孔一定共线，分析在该直线与受力方向不同变化角度的情况下，角度对连接结构的影响，例如0°/45°/90°。3个连接孔是指：3个孔共线或组成三角形，共线时分析角度的变化，例如0°/45°/90°；组成三角形时分析在三角形不同边长的情况下，边长对连接结构的影响，例如40mm/50mm/60mm。在图形维度上，假设三角形的边长固定不变，分析孔的数量对连接结构的影响，例如3孔/6孔/9孔。4个连接孔是指：4个孔共线或组成正方形或组成菱/圆形，共线时分析角度的变化，例如0°/45°/90°。组成正方形时，分析在正方形不同边长的情况下，边长对连接结构的影响，例如40mm/50mm/60mm。组成菱/圆形时分析在菱/圆形不同半径的情况下，半径对连接结构的影响，例如r15/r25/r35。在图形维度上，当正方形的边长固定不变，分析孔的数量对连接结构的影响，例如4孔/8孔/12孔。假设圆形的半径固定不变，分析孔的数量对连接结构的影响，例如4孔/5孔/6孔。步骤五：依据三维复合材料/钛合金叠层板模型的实际连接方式与受力情况，在有限元仿真软件中依次：设置材料属性、选择网格单元类型并进行网格划分、设置接触属性、输入拉伸载荷边界条件，得到复合材料/钛合金连接结构的拉伸强度仿真结果。本发明涉及一种实现上述方法的试验系统，包括：复合材料板/钛合金连接模块、紧固件以及用以将试验样件与拉伸试验机相连的夹具。为了使试验样件受到均匀的拉伸载荷，所述的复合材料板/钛合金连接模块中复合材料板材的上下边界处钻削的小孔，小孔均匀排布。所述的复合材料板/钛合金连接模块中复合材料板材与夹具相接触的位置采用金属片加强，该金属片加强优选为7075铝合金材料，采用瑞士ergo1690丙烯酸结构胶将铝合金加强片与复合材料板材粘合。所述的铝合金加强片上设有的小孔且孔心位置与复合材料板材边缘小孔的位置重合，孔径与复合材料板上的小孔孔径相比较小，以避免复合材料板材率先在边缘处断裂。技术效果本发明整体解决了现有复合材料连接结构领域尚未明确一个统一的评价体系，存在复合材料连接结构装配效率低，适航评定效果差的问题。通过集群孔复合材料/钛合金连接结构的强度最大化方案，从连接方式、铺层方式、孔数量和空间形状四个维度使其拉伸强度达到最大。本发明通过建立渐进损伤模型，采用改进的三维hashin失效判据，从微观角度探究复合材料层合板孔周围纤维、基体渐进损伤扩展与失效模式，通过仿真分析孔的数量和空间布局对连接结构静强度的影响规律，从结构角度实现了集群孔复合材料/钛合金叠层板连接结构强度的优化设计。附图说明图1为本发明方法流程示意图；图2为实施例仿真分析流程图；图3为孔心连线与受力方向角度呈0°时的实验样件及受力状态示意图；图4为孔心连线与受力方向角度呈45°时的实验样件及受力状态示意图；图5为孔心连线与受力方向角度呈90°时的实验样件及受力状态示意图；图中：夹具1、复合材料层合板2、钛合金板材3、铝合金加强片4；图6为孔心连线与受力方向角度呈0°的实验样件的位移载荷曲线示意图；图7为孔心连线与受力方向角度呈45°的实验样件的位移载荷曲线示意图；图8为孔心连线与受力方向角度呈90°的实验样件的位移载荷曲线示意图。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及的一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，通过有限元仿真的方法，对碳纤维复合材料/钛合金连接结构进行连接维度、铺层维度、数量维度和空间形状维度的分析分析，以实现最优设计方案。所述的连接维度包括：在复合材料与钛合金单孔连接基础上的螺栓/螺母连接方式、铆钉连接方式，其中：铆钉连接方式考虑铆钉的挤压力，螺栓/螺母连接方式考虑预紧力和干涉量大小。所述的铺层维度包括：在单孔连接基础上的单铺层方式、多铺层方式，其中：分析不同铺层数量及顺序对连接结构的影响。所述的数量维度包括：单孔、2孔、3孔、4孔，其中：分析不同孔数量角度的变化，本实施例在单孔连接的基础上，确定不同连接方式及铺层方式下的最优参数。所述的空间形状维度包括：三角形、正方形、菱/圆形，其中：在原有的单孔连接基础上，分析在2个连接孔、3个连接孔、4个连接孔的情况下，连接孔数量及构成图形对连接结构的影响。本实施例具体包括以下步骤：步骤一：基于abaqus仿真软件建立三维有限元模型。在综合考虑材料属性、复合材料铺层次序、网格密度等前提下，建立10×10×0.6dcm3的三维正方形有限元模型。如表1所示，所述的材料属性为t700/ag80复合材料，其中：t700为碳纤维增强相，ag80环氧树脂为基体，与复合材料连接的金属和紧固件材料为tc4钛合金。表1t700/ag80复合材料基本物理性能参数表项目数值项目数值0°拉伸强度(mpa)290090°拉伸强度(mpa)700°拉伸模量(gpa)14090°拉伸模量(gpa)8.5主泊松比0.28次泊松比0.050°压缩强度(mpa)0.830°压缩模量(gpa)22290°压缩强度(mpa)19390°压缩模量(gpa)10.20°弯曲强度(gpa)1.230°弯曲模量(gpa)17890°弯曲强度(mpa)71.690°弯曲模量(gpa)7.530°剪切强度(mpa)80.8损伤会引起复合材料属性(如弹性模量和泊松比)的退化，采用三维连续损伤力学模型(cdm)来研究其损伤演化过程。在材料刚度矩阵中引入损伤变量di，则纤维、基体和分层损伤表示为：其中：基于纤维和基体损伤的二维面内损伤变量公式，考虑层间平面外方向和剪切方向的分层损伤情况，提出了基于剪切非线性的三维损伤变量计算方式为：其中：dit代表纤维或基体或分层的拉伸损伤变量，dic代表纤维或基体或分层的压缩损伤变量，d12、d13、d23代表三个方向的损伤变量。基于应变等效性假设，可以得到复合材料主轴系下单层板的三维正交各向异性损伤本构模型，即应力张量和应变张量的关系为：其中：δ＝1/(1-ν12ν21(1-d1)(1-d2)-ν31ν13(1-d1)(1-d3)-ν23ν32(1-d2)(1-d3)-2ν21ν13ν32(1-d1)(1-d2)(1-d3))。参考二维hashin准则与ye分层准则，碳纤维复合材料采用改进的三维hashin准则进行损伤及失效的判断，依据失效准则判断单元和结构件是否发生部分损伤或完全失效，以使仿真结果更贴近真实情况。通过应力分析对t800层合板层内的失效模式进行判定，具体仿真流程如图2所示，其步骤和具体操作包括：1)在有限元软件中建立三维复合材料/钛合金连接结构模型，依次赋予材料属性，采取网格划分，设置接触类型和载荷条件，提交文件进行应力计算。2)随着位移载荷的增加，结构件所受拉力逐步增大，软件对结构件的每个单元进行应力计算，依据材料损伤失效准则判断单元是否发生损伤。3)如果单元发生损伤，则对单元的刚度设置衰减，实现刚度衰减的方法包括不限于参数衰减、线性衰减和指数衰减；如果单元没有发生损伤，则返回并重复外力增加和应力分析步骤。4)当发生刚度衰减的单元数量累计达到预设值时，即判定为结构件整体达到强度极限，认为结构件断裂，进而结束计算；如果发生刚度衰减的单元累计数量未达到预设值，则认为结构件发生了材料退化，返回重复外力增加和应力分析步骤。所述的失效准则判断单元是指：在有限元软件中，复合材料板模型通过网格划分，并经过应力分析得到的单元。所述的失效模式包括：纤维拉伸失效(σx≥0)：纤维压缩失效(σx＜0)：基体拉伸失效(σy≥0)：基体压缩失效(σy＜0)：纤维－基体剪切(σ11＞0)：拉伸分层破坏(σ33≥0)：压缩分层破坏(σ33＜0)：其中：σ11、σ22和σ33分别表示材料各个主方向应力，τ12、τ23和τ13分别表示的相应方向上的剪切应力，xt和xc分别表示沿着纤维方向的拉伸强度和压缩强度。yt和yc分别表示基体的拉伸强度和压缩强度。zt和zc分别表示垂直于层合板的拉伸强度和压缩强度。s12、s23和s13分别表示各自方向上的剪切强度。在改进的三维hashin准则的基础上，采用能量法模拟碳纤维复合材料的损伤演化过程，具体的损伤演化参数如下：表2碳纤维复合材料损伤演化参数对碳纤维复合材料/钛合金连接结构进行连接方式、铺层方式、孔数量和空间形状4个维度的分析分析，以实现最优设计方案。步骤二：在单孔基础上，确定复合材料/钛合金的连接方式。在螺栓连接过程中，预紧力缓解了板材孔周围的应力集中，减少了分层和纤维断裂；铆接适用于较复杂结构件和不同材料之间的连接，维修时间短，成本效益高，同时还具备较高的连接可靠性。接触干涉量和表面粗糙度的具体参数如表3所示：表3连接维度1设计参数接触干涉量(mm)01.5％d3％d4.5％d表面粗糙度(μm)光滑表面ra3.2ra6.3ra12.5步骤三：在单孔基础上，分析单铺层与多铺层碳纤维复合材料等不同的铺层情况。所述的单铺层为0°铺层，多铺层为[±90°，0°，±45°]10层铺层和[±90°，±45°，0°]10层铺层，具体参数如表4所示：表4铺层维度2设计参数铺层方式0°铺层[90°，0°，±45°]铺层[90°，±45°，0°]铺层如图3～图5所示，具体为....，其三者的区别在于：......步骤四：在原有的单孔连接基础上，分析在2个连接孔、3个连接孔、4个连接孔的情况下，连接孔数量及构成图形对连接结构的影响。a)2孔情况下，2个孔一定共线，分析在该直线与受力方向不同变化角度的情况下，角度对连接结构的影响，具体参数如表5所示：表5两孔情况下，数量维度3的设计参数角度0°45°90°b)3孔情况下，3个孔共线或组成三角形，共线时分析角度的变化；组成三角形时分析在三角形不同边长的情况下，边长对连接结构的影响；在图形维度上，假设边长不变，固定为60mm，分析6孔、9孔三角形对连接结构的影响。具体参数如表6所示：表6三孔情况下，数量维度3和图形维度4的设计参数角度0°45°90°三角形边长(mm)405060三角形孔的数量369c)4孔情况下，4个孔共线或组成正方形或组成菱/圆形，共线时分析角度的变化；组成正方形时分析在正方形不同边长的情况下，边长对连接结构的影响；组成菱/圆形时分析在菱/圆形不同半径的情况下，半径对连接结构的影响。在图形维度上，假设边长不变，固定为60mm，分析8孔、12孔的正方形对连接结构的影响；假设半径不变，固定为35mm，分析5孔、6孔的圆形对连接结构的影响。具体参数如表7所示：表7四孔情况下，数量维度3和图形维度4的设计参数步骤五：以剪切、拉伸载荷作为边界条件输入，以复合材料/钛合金连接结构的剪切、拉伸强度作为结果输出。本实施例采用m6螺栓连接的方式，在复合材料层合板和钛合金板的双孔单搭接的情况下，研究孔心连线与受力方向的角度影响。接触干涉量为0，接触表面光滑，铺层方式为[90°，±45°，0°]5s。施以拉伸位移载荷。通过仿真计算，得到孔心连线与受力方向角度呈0°的实验样件的极限载荷为4933kn，对应拉伸位移为0.18mm，孔心连线与受力方向角度呈45°的实验样件的极限载荷为2161kn，对应拉伸位移为0.07mm,孔心连线与受力方向角度呈90°的实验样件的极限载荷为4067kn，对应拉伸位移为0.27mm。根据改进的三维hashin损伤失效准则，碳纤维复合材料层合板最早发生基体失效和层间分层，最后发生纤维失效。与现有技术相比，本方法能够针对集群孔连接结构，从连接方式、铺层方式、孔数量和空间形状4个维度进行系统性的强度设计，以实现拉伸强度最大化。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。当前第1页12