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1、10申请公布号CN103345545A43申请公布日20131009CN103345545ACN103345545A21申请号201310234740722申请日20130614G06F17/5020060171申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号72发明人赵丽滨山美娟张建宇74专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人成金玉顾炜54发明名称一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法57摘要本发明涉及一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，包括以下步骤（1）根据复合材料形非平面胶接连接结构参数建立几何模型；（2）根据复合材料。
2、结构的实际工况，确定接头几何模型的载荷和边界条件；（3）对接头几何模型划分网格，得到接头三维有限元模型；（4）基于接头三维有限元模型，进行有限元应力分析；（5）根据线性有限元应力分析结果，基于接头三维有限元模型设置加筋填料区曲边三角包络路径，提取该曲边三角包络路径上的各应力分量值，计算其平均值代入失效准则预测强度。本发明适用于工程应用，可以显著缩短研制周期，降低试验成本。51INTCL权利要求书2页说明书4页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书4页附图1页10申请公布号CN103345545ACN103345545A1/2页21一种基于三角包络的复合材料。
3、形非平面胶接连接强度预测方法，其特征在于包括以下步骤步骤A，利用有限元软件三维实体建模功能，根据复合材料形非平面胶接连接结构参数建立接头几何模型，为建立接头三维有限元模型提供几何构型；步骤B，根据复合材料结构的实际工况，确定复合材料形非平面胶接连接结构的载荷和边界条件，将该载荷和边界条件施加在接头几何模型上，便于进行应力分析；步骤C，对接头几何模型的蒙皮、腹板及加筋分组，按各组的网格要求划分网格，得到接头三维有限元模型；步骤D，基于接头三维有限元模型，根据步骤B确定的载荷和边界条件，进行线性有限元应力分析，计算接头应力分布；步骤E，在得出接头在给定载荷和边界条件下的应力分布之后，在接头三维有限。
4、元模型上设置加筋填料区曲边三角包络路径，提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值，取各应力分量平均值代入失效准则的相应表达式，找出具有最大值的表达式，计算该表达式等于1时的载荷值，即接头强度值。2根据权利要求1所述的一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，其特征在于所述步骤A中根据复合材料形非平面胶接连接结构参数建立几何模型实现过程为（A1）根据具体复合材料形非平面胶接连接结构参数值，在二维平面绘制接头几何轮廓图，通过实体拉伸方式，沿宽度方向拉伸实际宽度值，建立接头几何模型；（A2）定义材料属性及局部材料方向，并按各铺层厚度值划分几何模型，创建复合材料铺层并定义铺。
5、层角度，在定义铺层角度时需要根据实际情况建立相应的局部坐标系。3根据权利要求1所述的一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，其特征在于所述步骤B根据复合材料结构的实际工况，确定接头几何模型的载荷和边界条件实现过程为（B1）对复合材料结构进行受力分析，确定形非平面胶接连接结构的约束情况及所受拉伸载荷；（B2）将上面的约束情况作为边界条件施加于接头几何模型上，同时在接头几何模型上施加上面受力分析所得到的拉伸载荷。4根据权利要求1所述的一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，其特征在于所述步骤C基于接头几何模型划分网格的具体过程为（C1）沿蒙皮和腹板的长、宽、高三个方。
6、向均匀布种，并划分网格；（C2）沿加筋的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格；（C3）逐步加密加筋填料区网格，对接头三维有限元模型进行线性应力计算，直至获得收敛的应力解，便得到接头三维有限元模型。5根据权利要求1所述的一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，其特征在于所述步骤E根据有限元应力分析结果预测接头强度的具体实现过程为（E1）利用有限元软件的后处理功能，基于接头三维有限元模型设置加筋填料区曲边三角包络路径，并提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值；权利要求书CN103345545A2/2页3（E2）计算各应力分量平均值，代入失效准则的相应表达式，找出具。
7、有最大值的表达式；（E3）计算出该表达式等于1时对应的载荷值，即接头强度值。权利要求书CN103345545A1/4页4一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法技术领域0001本发明涉及整体化复合材料结构典型非平面胶接连接的强度预测，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复杂复合材料非平面胶接连接结构。背景技术0002复合材料因其高比强度、高比刚度及可剪裁设计等优良特性被广泛应用于航空航天飞行器结构中。复合材料胶接连接是整体化复合材料结构中高效的连接部件，分为平面胶接连接和非平面胶接连接，其中非平面胶接连接由于能够传递平面外载荷，实现具有一定角度的复合材料构件的连接而应用于复杂复合材料。
8、结构中。然而，连接结构也是决定复合材料结构强度的关键部位，为此研究者们针对胶接连接开展了大量的研究工作。0003由于非平面胶接连接相对于平面胶接连接而言结构复杂，采用理论分析方法和线性有限元分析方法测定强度困难。目前的研究者们主要应用渐进损伤方法、虚拟裂纹闭合技术和内聚力模型等方法预测接头强度，采用这些方法进行强度预测需要不断检测复合材料结构损伤或裂纹扩展状态，并根据复合材料结构的当前状态重新进行非线性有限元分析以获得重新分布的载荷/应力水平，并进行评价，计算规模大，计算时间长，不适用于工程应用。因此工程应用中，只能依赖大量试验确定复杂复合材料非平面胶接连接的强度，研制周期长、成本高。发明内容。
9、0004本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，适用于工程应用，可以显著缩短研制周期，降低试验成本。0005本发明的技术解决方案一种基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，实现步骤如下0006步骤A，利用有限元软件三维实体建模功能，根据复合材料形非平面胶接连接结构参数建立接头几何模型；0007步骤B，根据复合材料结构的实际工况，确定复合材料形非平面胶接连接结构的载荷和边界条件，将该载荷和边界条件施加在接头几何模型上；0008步骤C，对接头几何模型的蒙皮、腹板及加筋分组，按各组的网格要求划分网格，得到接头三维有限元模型；00。
10、09步骤D，基于接头三维有限元模型，根据步骤B确定的载荷和边界条件，利用有限元软件进行线性应力分析，计算接头在该载荷和边界条件下的应力分布；0010步骤E，在得出接头在给定载荷和边界条件下的应力分布之后，在接头三维有限元模型上设置加筋填料区曲边三角包络路径，提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值，计算各应力分量平均值，代入失效准则相应的表达式，找出具说明书CN103345545A2/4页5有最大值的表达式，计算该表达式等于1时对应的载荷值，即接头强度值。0011所述步骤A中根据复合材料形非平面胶接连接结构参数建立几何模型实现过程为0012（A1）根据具体复合材料接头结构参数值，。
11、在二维平面绘制接头几何轮廓图，通过实体拉伸方式，沿宽度方向拉伸实际宽度值，建立接头三维几何模型；0013（A2）定义材料属性及局部材料方向，并按各铺层厚度值划分几何模型，创建复合材料铺层并定义铺层角度，在定义铺层角度时需要根据实际情况建立相应的局部坐标系。0014所述步骤B根据复合材料结构的实际工况，确定接头几何模型的载荷和边界条件实现过程为0015（B1）对复合材料结构进行受力分析，确定形非平面胶接连接结构的约束情况及所受拉伸载荷；0016（B2）将上面的约束情况作为边界条件施加于接头几何模型上，同时在接头几何模型上施加上面受力分析所得到的拉伸载荷。0017所述步骤C基于接头几何模型划分网格。
12、的具体过程为0018（C1）沿蒙皮和腹板的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格不需要很精细；0019（C2）沿加筋的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格比蒙皮和腹板的网格更加精细；0020（C3）逐步加密加筋填料区网格，对整体有限元模型进行应力计算，直至获得收敛的应力解，便得到接头三维有限元模型。0021所述步骤E根据有限元应力分析结果预测接头强度的具体实现过程为0022（E1）利用有限元软件的后处理功能，在接头三维有限元模型上设置如图2所示的加筋填料区曲边三角包络路径，并提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值；0023（E2）计算各应力分量平均值，代入失效。
13、准则的相应表达式，找出具有最大值的表达式；0024（E3）计算出该表达式等于1时对应的载荷值，即接头强度值。0025本发明与现有技术相比的优点在于0026（1）本发明基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，利用现代计算机强大的计算能力，通过三维有限元模拟计算接头应力分布并预测强度。经过与试验结果对比表明预测结果与试验结果具有良好的一致性，保证了预测精度。0027（2）本发明基于三角包络的复合材料形非平面胶接连接强度预测方法，只需进行线性有限元分析即可预测接头最终失效强度，大大简化了有限元模拟计算过程，节省了计算成本和时间，适用于工程应用中的接头强度预测，可以显著缩短研制周期，降低试。
14、验成本。附图说明0028图1是本发明的实现流程图；0029图2是本发明提出的曲边三角包络。说明书CN103345545A3/4页6具体实施方式0030如图1所示，本发明方法具体实现为00311根据复合材料形非平面胶接连接结构参数建立接头几何模型。0032利用有限元软件三维实体建模功能，根据复合材料形非平面胶接连接结构参数值，在二维平面绘制接头几何轮廓图，通过实体拉伸方式，沿宽度方向拉伸实际宽度值，建立接头几何模型；定义材料属性及局部材料方向，并按各铺层厚度值划分接头几何模型，创建复合材料铺层并定义铺层角度，在定义铺层角度时需要根据实际情况建立相应的局部坐标系。00332根据复合材料结构的实际工。
15、况确定接头几何模型的载荷和边界条件。0034对复合材料结构进行受力分析，确定形非平面胶接连接结构的约束情况及所受拉伸载荷；将约束情况作为边界条件施加于接头几何模型上，同时在接头几何模型上施加受力分析所得到的拉伸载荷。00353基于接头几何模型划分网格。0036对接头几何模型的蒙皮、腹板及加筋分组，按各组的网格要求划分网格，沿蒙皮和腹板的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格不需要很精细；沿加筋的长、宽、高三个方向均匀布种，并划分网格，该网格比蒙皮和腹板的网格更加精细；逐步加密加筋填料区网格，并对整体有限元模型进行应力计算，直至获得收敛的应力解，便得到接头三维有限元模型。00374基于接。
16、头三维有限元模型进行有限元应力分析。0038基于接头三维有限元模型，进行线性有限元应力分析，计算接头在上面给定的载荷和边界条件下的应力分布。00395根据有限元应力分析结果预测接头强度。0040在得到接头在给定载荷和边界条件下的应力分布之后，利用有限元软件的后处理功能，在接头三维有限元模型上设置如图2所示的加筋填料区曲边三角包络，提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值，计算各应力分量平均值，代入失效准则的相应表达式，找出具有最大值的表达式，计算该表达式等于1时对应的载荷值，即接头强度值。0041实施例1复合材料形非平面胶接连接强度预测00421几何描述0043复合材料形非平面胶。
17、接连接结构长200MM，高160MM，宽50MM，分为蒙皮、腹板和加筋三个部分，加筋包括L铺层、U铺层、一形铺层及填料区，各部分利用胶粘剂理想粘结，材料为T700/QY8911。0044（1）腹板左右铺层0/0/45/45S，厚度各为1MM；0045（2）蒙皮上下铺层45/90/45/0S，厚度各为1MM；0046（3）加筋铺层L层和U层为45/90/45，一形层为45/90/45，厚度各为036MM，填料为0单向带，0方向沿接头宽度方向。00472有限元模型建立及强度预测0048步骤A、根据上面给定的复合材料形非平面胶接连接结构参数建立接头几何说明书CN103345545A4/4页7模型，定。
18、义材料属性，根据各铺层厚度划分几何模型，为各铺层赋予材料属性及铺层角度，在创建铺层角度时建立了6个局部坐标系；0049步骤B、根据复合材料形非平面胶接连接结构的受力和支持情况，确定接头几何模型的载荷和边界条件，本实施例1中的载荷和边界条件与接头拉伸强度测试试验装置保持一致，约束接头几何模型的蒙皮两端面节点的所有自由度及蒙皮距离两端面各20MM的上表面节点Y方向的自由度，并在接头几何模型的腹板上表面施加均匀分布的拉伸载荷；0050步骤C、基于接头几何模型划分网格，对于蒙皮和腹板而言，不需要很精细的网格，而加筋是传递载荷的关键，需要精细的网格，故先对蒙皮和腹板沿长、宽、高三个方向均匀布种并划分网格。
19、，再对加筋以相同的方式划分更加精细的网格。对加筋填料区，需要逐步加密网格，并进行线性有限元应力分析，直至获得收敛的应力解，便得到接头三维有限元模型；0051步骤D、在接头三维有限元模型上设置如图2所示的加筋填料区曲边三角包络，提取该曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量值，计算各应力分量平均值，代入最大应力准则预测接头强度，预测结果与试验结果具有很好的一致性。具体计算过程如下0052最大应力准则认为单层某一正轴应力分量值达到其对应的强度值时，单层即发生破坏，其表达式可以写为00530054其中，11为单层沿纤维方向的正应力分量，22为单层垂直于纤维方向的正应力分量，33为单层厚度方向的正应力分量，12为单层平面内剪切应力分量，13和23为单层层间剪切应力分量；XT,C为单层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，YT,C为单层垂直于纤维方向的拉伸或压缩强度，ZT,C为单层厚度方向的拉伸或压缩强度，S12为单层平面内剪切强度，S13和S23为单层层间横向剪切强度。0055将线性有限元应力分析得到的加筋填料区曲边三角包络路径上各节点材料主方向的各应力分量平均值代入上式，计算满足上式的应力值，该应力值对应的载荷值即接头强度值。0056本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。说明书CN103345545A1/1页8图1图2说明书附图CN103345545A。