一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法与流程

本发明属于复合材料蜂窝夹层壁板分析领域，涉及一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法。

背景技术：

1、由于复合材料蜂窝夹层结构与机体结构连接多采用托板螺母安装，典型托板螺母结构如图1，托板螺母可游动特性导致的安装偏差，会导致结构载荷局部非均匀传递，而现阶段此类结构的分析多基于载荷均匀传递开展，导致分析结果不够保守，无法保证结构服役安全。同时托板螺母最终位置受安装偏差、紧固件直径偏差、钻孔偏差、紧固件数量等因素影响，需要通过海量试验测试保证结构安全，为项目实施带来巨大的资源成本。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，引入概率统计分析，可以同时考虑托板螺母的装配过程中的各类偏差，给出各种极限位置情况，并通过细节有限元模型辅助分析，保证壁板结构在各种极限情况下符合设计要求(即强度安全裕度大于0)，实现结构设计安全，同时此方法还可以应用于结构试验规划，有效减少测试试验件数量，极大的降低验证成本。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，通过对托板螺母主螺栓中心线与螺栓孔中心线装配偏差的概率分析得到了托板螺母主螺栓在装配过程中的极限分布位置，通过有限元真实模拟得到壁板结构临界强度裕度，进而进行结构优化保证结构设计安全；所述分析方法包括如下步骤：

4、步骤1：对目标壁板结构中安装的托板螺母主螺栓中心线位置与紧固件孔中心线位置进行实物测量和整理，得到托板螺母主螺栓中心线相对于紧固件孔中心线的位置偏差及分布特征，并确定其符合的分布率方程，一般情况下位置偏差符合正态分布，方程如下：

5、

6、式中，代表位置偏差均值，s代表位置偏差方差，n代表位置偏差样本数量，t代表t分布特征值，α代表置信水平修正系数。

7、步骤2：根据目标壁板结构重要程度明确其所需的置信水平(其中主要承力结构置信水平选择99％，次级结构置信水平选择95％)，结合步骤1中确定的分布率方程计算其置信区间，并根据置信区间确定托板螺母主螺栓在紧固件孔中安装的上、下限位置。

8、步骤3：取临界情况，假设目标壁板结构中位于中间的一个托板螺母主螺栓安装在置信区间的上限位置，其他托板螺母主螺栓均安装在下限位置，基于该安装情况建立细节有限元模型，并基于不同安装位置的托板螺母主螺栓施加差异化位移，用于模拟各托板螺母主螺栓的结构实际约束和受载情况，基于有限元求解器分别进行整体稳定性和静强度分析求解，得到当前安装情况下目标壁板整体稳定性系数和壁板局部峰值应力、应变。

9、具体的，假定托板螺母主螺栓只位于上、下限位置，首先假设位于中间的一个托板螺母主螺栓位于上限位置，其余托板螺母主螺栓位于下限位置，基于该安装情况建立细节有限元模型；结合不同安装位置托板螺母主螺栓的受载情况对其位移的影响，利用步骤2中得到的置信区间对各托板螺母主螺栓的实际位移进行修正，细节有限元模型中加载修正后的实际位移，进行整体稳定性和静强度分析求解，得到当前安装情况下目标壁板整体稳定性系数和壁板局部峰值应力、应变。

10、其中，对实际位移的修正方式为：位于上限位置的托板螺母主螺栓在已知平均位移基础上增加置信区间的上偏差，而位于下限位置的托板螺母主螺栓在已知平均位移基础上减少置信区间的下偏差。

11、步骤4：以步骤3中安装在上限位置的托板螺母主螺栓为中心，向两侧逐渐增加安装在上限位置的托板螺母主螺栓数量，直至所有托板螺母主螺栓均安装在上限位置。基于每一个安装情况，逐一建立细节有限元模型，使用步骤3中同样的方法，分别求解得到不同安装情况下目标壁板结构整体稳定性系数和壁板局部峰值应力、应变。

12、步骤5：根据步骤3和步骤4中得到的目标壁板结构整体稳定性系数和壁板局部峰值应力、应变，选择最严重状态下(最小的整体稳定性系数和最大局部峰值应力、应变)，对结构进行强度分析，得到结构裕度，以判断该目标壁板结构是否符合设计要求，其中，结构裕度包括整体失稳裕度、局部失稳裕度和结构静强度裕度。

13、具体的，如果强度分析结果显示目标壁板整体失稳裕度、局部失稳裕度以及结构静强度裕度均大于0，则结构满足设计要求，否则需要对结构进行优化设计，直至所有结构裕度均大于0。

14、本发明的有益效果在于：

15、本发明通过对托板螺母主螺栓中心线与螺栓孔中心线装配偏差的概率分析得到了螺母主螺栓在装配过程中的极限分布位置，通过有限元真实模拟得到结构临界强度裕度，进而进行结构优化保证结构设计安全，同时此方法还可以应用于结构试验规划，有效减少测试试验件数量，极大的降低验证成本。

技术特征：

1.一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，其特征在于，所述分析方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，其特征在于，所述的步骤1中，位置偏差符合正态分布，分布率方程如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，其特征在于，所述的步骤3具体为，假定托板螺母主螺栓只位于上、下限位置，首先假设位于中间的一个托板螺母主螺栓位于上限位置，其余托板螺母主螺栓位于下限位置，基于该安装情况建立细节有限元模型；结合不同安装位置托板螺母主螺栓的受载情况对其位移的影响，利用步骤2中得到的置信区间对各托板螺母主螺栓的实际位移进行修正，细节有限元模型中加载修正后的实际位移，进行整体稳定性和静强度分析求解，得到当前安装情况下目标壁板整体稳定性系数和壁板局部峰值应力、应变。

4.根据权利要求3所述的一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，其特征在于，对实际位移的修正方式为：位于上限位置的托板螺母主螺栓在已知平均位移基础上增加置信区间的上偏差，而位于下限位置的托板螺母主螺栓在已知平均位移基础上减少置信区间的下偏差。

5.根据权利要求1所述的一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，其特征在于，所述的步骤5中，最严重状态是指最小的整体稳定性系数和最大局部峰值应力、应变。

6.根据权利要求1所述的一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，其特征在于，所述的步骤5中，结构裕度包括整体失稳裕度、局部失稳裕度和结构静强度裕度。

7.根据权利要求6所述的一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法，其特征在于，所述的步骤5中，目标壁板结构是否符合设计要求的判断标准为：如果强度分析结果显示目标壁板整体失稳裕度、局部失稳裕度以及结构静强度裕度均大于0，则结构满足设计要求，否则需要对结构进行优化设计，直至所有结构裕度均大于0。

技术总结
本发明属于复合材料蜂窝夹层壁板分析领域，涉及一种基于概率分析的复合材料蜂窝夹层壁板托板螺母安装结构分析方法。首先根据托板螺母主螺栓中心线相对于紧固件孔中心线的位置偏差及分布特征确定分布率方程，计算壁板结构的置信区间并确定托板螺母安装的上、下限位置，假设托板螺母仅安装于上限或下限位置，并针对不同安装情况建立细节有限元模型，根据上、下限位置的受载情况对各托板螺母位移进行修正，加载实际位移并求解得到整体稳定性系数和壁板局部峰值应力、应变，在最严重状态下对结构进行强度分析，得到结构裕度，以判断该目标壁板结构是否符合设计要求。本发明引入概率统计分析，同时考虑各类偏差，真实模拟极限状态，保证结构设计安全。

技术研发人员：刘旭,赵永利,李云飞,孔婷婷,许美娟,陈瑞东,刘可佳
受保护的技术使用者：中航沈飞民用飞机有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15