[发明专利]一种基于有限元分析求解的加筋壁板损伤容限分析方法

摘要

本发明涉及一种基于有限元分析求解的加筋壁板损伤容限分析方法，其步骤是：步骤一：依据飞机壁板结构形式，受载荷情况，确定裂纹扩展方向；设置极限裂纹长度，确定模型规模；步骤二：建立不含裂纹的加筋壁板细节有限元模型；步骤三：对模型施加总体载荷，求得壁板应力分布；步骤四：在有限元模型中模拟不同长度的裂纹，提取裂尖单元的节点平衡力和位移；步骤五：应用虚拟裂纹闭合理论VCCT方法，求取步骤四中加筋壁板不同裂纹长度裂尖的应力强度因子K；步骤六：对加筋壁板进行裂纹扩展寿命及结构剩余强度分析。该方法可以真实模拟加筋壁板不同尺寸裂纹及裂纹尖端应力、应变状态、加筋壁板不同尺寸裂纹加筋件应力水平及紧固件载荷；基于分析结果对加筋壁板蒙皮进行裂纹扩展分析。

主权项

1.一种基于有限元分析求解的加筋壁板损伤容限分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：依据飞机壁板结构形式，受载荷情况，确定裂纹扩展方向；设置极限裂纹长度为2倍框间距，确定模型规模；步骤二：使用MSC.Patran软件，建立不含裂纹的加筋壁板细节有限元模型，模拟飞机壁板各结构和紧固件，所述的飞机壁板各结构具体包括：框，蒙皮，长桁和角片，采用板壳单元进行模拟；紧固件使用弹簧单元模拟；紧固件的轴向刚度和剪切刚度分别用下面的公式计算得到：轴向刚度：剪切刚度：其中：E——紧固件的弹性模量；E′——所连接结构的等效弹性模量；t₁、t₂——分别为连接结构的厚度；D——紧固件直径；步骤三：对步骤二中的模型施加总体载荷，通过MSC.Patran软件求得壁板应力分布；步骤四：在有限元模型中模拟不同长度的裂纹，提取裂尖单元的节点平衡力和位移；具体为：对步骤三中的壁板模型指定区域引入模拟裂纹，确定裂纹中心位置，分别建立若干个典型长度裂纹，加筋区域选取典型长度裂纹数量是非加筋区域的2‑3倍，所述的裂纹通过拆分同一位置的节点获得，设置左右裂尖为单一节点，从左裂尖位置到右裂尖位置连线上的所有节点均设置为双节点，以模拟裂纹开裂；对裂尖位置的单元和节点，建立局部坐标系，提取在该坐标系下的裂尖区域节点载荷和变形量；步骤五：应用虚拟裂纹闭合理论VCCT方法，求取步骤四中加筋壁板不同裂纹长度裂尖的应力强度因子K，对于加筋壁板结构平面应力状态，裂纹尖端应力强度因子K计算公式如下：其中，G_Ⅰ:Ⅰ型裂纹能量释放率；G_Ⅱ:Ⅱ型裂纹能量释放率；Δa:为裂纹长度增量；K_Ⅰ:Ⅰ型裂纹裂尖应力强度因子；K_Ⅱ:Ⅱ型裂纹裂尖应力强度因子；F_x，F_y为裂纹尖端单元在局部坐标系下的节点平衡力；u_x，u_x’，u_y，u_y’为裂尖邻近节点位移；E为材料弹性模量；依据上述公式，得到含有不同长度裂纹的加筋壁板蒙皮的裂尖应力强度因子曲线；步骤六：采用步骤四中设置裂纹后的模型，结合步骤五中计算得到的裂纹尖端应力强度因子K，对加筋壁板进行裂纹扩展寿命及结构剩余强度分析：采用Paris公式进行裂纹扩展寿命计算，公式如下：其中，a为裂纹长度，N为结构寿命；C，n和K_c为材料常数和应力强度因子门槛值，材料和结构确定后这3个参数均为常量；ΔK为两个裂纹长度下对应裂尖应力强度因子变化量；使用Paris公式通过设置裂纹长度增量da，即可确定裂纹扩展寿命增量dN,多次迭代累加后得到结构裂纹扩展寿命N，其中ΔK可从裂尖应力强度因子曲线中读取；基于该模型可以进行框连接角片和紧固件剩余强度分析，将裂尖位置的应力强度因子K曲线和与壁板材料的Kr曲线放置于同一坐标系，通过调节Kr曲线在坐标系位置可以判断在裂纹扩展过程中，裂纹是否发生失稳扩展导致蒙皮失效；当K曲线和Kr曲线相切时，Kr曲线与横轴垂直的切线与横轴交点对应裂纹长度c_critical即为裂纹发生失稳扩展的长度。