[发明专利]一种钉载分布预测方法及系统

说明书

一种钉载分布预测方法及系统，涉及结构优化技术领域，包括：S1：采集钉接连接板的工程参数，建立弹簧‑刚度模型并构建平衡方程；S2：利用工程参数解算热力联合参数并改写平衡方程；S3：分别构建钉接连接板刚度模型和钉类紧固件刚度模型；S4：利用渐进加载方式施加载荷，基于所述S3构建模型分别确定每一加载步长的钉接连接板刚度和钉类紧固件刚度，代入改写后的平衡方程，获得每一加载步长的钉类紧固件位移，直至完成全部载荷的加载；S5：将每一加载步长的钉类紧固件位移叠加，获得钉类紧固件总位移，进而完成钉类紧固件载荷分布预测。本发明能够在保证计算效率的前提下提高了计算精度，有助于降低研发阶段的成本，指导结构设计。

技术领域

本发明涉及结构优化技术领域，尤其涉及一种钉载分布预测方法及系统。

背景技术

民机结构设计中在翼肋和壁板连接区以及翼肋与翼梁连接区大量采用了复合材料-金属机械连接结构。作为连接结构失效分析的基础，连接结构的钉载分布计算精度非常重要，尤其是在热-力联合作用下，混合结构内部热应力会对钉载分布和结构失效产生重要影响。

目前的复合材料-金属机械连接结构钉载预测方法主要有有限元法和弹簧-刚度法，有限元法研究钉载分布时可以基于三维细节有限元模型，综合考虑螺栓钉孔挤压等复杂接触条件进行计算，但也会极大的增加建模的工作量和计算成本。在计算效率方面，相比于只需几秒钟即可输出钉载分布的弹簧-刚度法相比，有限元法不具有优势。

弹簧-刚度法是一种钉载计算的简化算法，它将连接结构中的连接板和螺栓简化为具有一定刚度的弹簧元件，螺栓与上、下连接板的接触部分简化为节点，通过对节点进行受力分析建立整体的平衡方程并求解每个弹簧元件的位移和载荷，具备较高的计算效率。

赵立滨等基于四折线刚度模型提出了复合材料螺栓连接钉载分配预测方法。McCarthy等在弹簧-刚度法中考虑了与预紧力相关的摩擦力以及装配间隙，使得该方法可以考虑间隙和摩擦力对钉载分布的影响。Taheri-Behrooz等在连接板的刚度计算中引入了复合材料连接板剪切非线性本构并验证了考虑剪切非线性本构关系对计算精度的影响，但并未对连接板横向和厚度方向的非线性本构进行讨论。黄河源等基于单钉连接结构试验获得的应力－应变曲线，将连接结构挤压破坏过程分为:线性无损伤阶段、非线性损伤扩展阶段和线性退化阶段，并将连接结构等效为弹簧系统模型。在非线性阶段采用圆锥曲线模拟了非线性损伤阶段并定义了非线性损伤函数，又通过将单钉弹簧模型引入多钉连接结构进行分析，经多钉连接结构试验验证，模型计算结果与试验曲线吻合良好，符合工程要求。

上述方法均对弹簧-刚度法进行了改进，但局限在机械载荷单独作用下的钉载计算，尚未考虑热-力联合作用下，热应力对及分布的影响。

发明内容

本发明提供一种钉载分布预测方法及系统，弥补现有的工程所用的弹簧-刚度法的不足，针对复合材料-金属机械连接结构在热-力联合作用下的力学行为，在综合考虑预紧力、摩擦力、装配间隙、干涉装配、热应力、连接板的非线性本构关系以及紧固件的非线性变形等连接参数的基础上，开发改进的弹簧-刚度法，提高钉载分布的计算精度，在增进计算效率的同时对复合材料-金属机械连接结构设计提供指导。

根据本发明的第一方面，提供了一种钉载分布预测方法，所述方法包括以下步骤：

S1：采集钉接连接板的工程参数，建立弹簧-刚度模型并构建平衡方程；

S2：利用工程参数解算热力联合参数并改写平衡方程；

S3：分别构建钉接连接板刚度模型和钉类紧固件刚度模型；

S4：利用渐进加载方式施加载荷，基于所述S3构建的钉接连接板刚度模型和钉类紧固件刚度模型分别确定每一加载步长的钉接连接板刚度和钉类紧固件刚度，代入改写后的平衡方程，获得每一加载步长的钉类紧固件位移，直至完成全部载荷的加载；