【《飞机复材结构装配变形仿真分析》3600字】

-0-飞机复材结构装配变形仿真分析目录TOC\o"1-3"\h\u27293飞机复材结构装配变形仿真分析 133121.1复合材料构件装配变形分析 179721.2复合材料构件有限元模型分析 2128521.3复合材料结构装配变形仿真实验 4154681.3.1实验设计 4128601.3.2仿真软件平台 4141621.3.3复合材料构件有限元模型的构建 4186031.3.4相互作用的设定 7302741.3.5分析步设定 8159431.3.6实验结果分析 91.1复合材料构件装配变形分析复合材料构件在装配后的变形不仅仅和装配时的约束条件，使用的装配连接方式有关，还和加工制造完成的质量紧密相关。一般而言，以下因素都会对复合材料构件在装配后的变形产生影响：a)实际生产加工和理论模型之间的偏差；b)装配使用的调形工装和装配连接条件；c)重力因素导致的变形。复合材料的构件在生产加工的过程中，因为热固化不均匀、模具和复合材料之间热膨胀系数有差异等因素会导致构件产生翘曲变形，固化结束后若未充分考虑回弹因素的影响也会造成制造误差。相较于钣金加工，大部分复合材料构件无法通过磨削、铣削等机械加工方式对误差进行调整。因此这些偏差会保留到装配工艺阶段，作为该零件独特的特征，将一部分偏差统称为构件的制造偏差，用符号Dm在设计时工件的理论模型时往往不会考虑重力的影响。但是常用的大型飞机复合材料蒙皮壁板构件尺度大，柔性大，刚度不足，受重力因素影响较大。将复材构件因重力因素导致的变形定义为Dg。并且将构件的设计理论模型形状定义为Fd，将构件在完成制造进行检测时的形状定义为 Fm=F在公式3.1中，(Fd在构件完成加工进入装配环节后，其形变也应由两方面的因素构成，分别为重力因素导致的变形Dag和由装配关系导致的变形Dam。装配后的形状 Fa=1.2复合材料构件有限元模型分析对于大尺度复合材料蒙皮构件的变形，有以下假设：a)层之间完全连接，变形中不会出现分层。b)在厚度方向上，每一层的材料性质是一致的。c)应力应变成线弹性关系。d)原本是笔直的垂直于中平面的线，在拉或弯后，仍然保持笔直。e)受平面应力状态。f)与其他尺寸相比，平面内的应变和曲率较小。理由是：与大尺度的飞机复合材料构件相比，发生的变形位移较小，因此，控制点的预期偏转和旋转也相对较小。引发的应变预计在弹性范围内，并且在其他文献中没有发现在低载荷下用于以环氧树脂为基底的复合材料蒙皮的应力硬化效应。而在其他文献所采用的多向受力实验，已经被证明了单向环氧树脂复合材料蒙皮结构有线性应力应变的性质。因此选择了静态线弹性力学模型分析，因此可以使用经典平板变形模型做有限元分析。根据胡克定理构建层合板方程有： [σ]1×6=C 𝜎是表示广义应变，C表示材料单向的刚度矩阵，ɛ表示应变，以上所有都是行为6，列为1的矩阵。因为蒙皮建模的时候认为只受平面应力，因此垂直于平面的Z成分就是0，因此，可以使用降低的刚度矩阵Q来写平面应力下单向材料的胡克定律。更普遍的和主方向有一个旋转角度θ的胡克定律可以写成下面的方程 σ1'σ 为了将一层单向材料的分析扩展到每一层，使用了下面被称作ABD矩阵的连续性方程。 NMf其中N是合成应力的矢量，Mf是包含合成力矩的矢量，Q是横向剪切合成矢量。对于对称层压件，B＝0，A是拉伸刚度矩阵，B是拉伸，弯曲和扭曲之间的耦合矩阵。D是抗弯刚度矩阵，F是抗剪刚度矩阵。εm是包含中平面应变的向量，ABD矩阵可以在ANSYSPrepPost上根据从工程数据部分和层压板层的定义，层叠顺序，纤维取向和厚度输入的正交各向异性9个弹性常数计算得到。但是，因为单向材料仅用5个独立的工程常数定义，为了完成正交矩阵的定义，剩下的四个常量，并且注意到轴2和轴3的等价关系，我们用下面的方程计算得到。 νyz= Gxz= νxz=1.3复合材料结构装配变形仿真实验1.3.1实验设计本实验在完成对两块复合材料螺栓搭接头平板的3D激光扫描和逆向建模后，在ABAQUS中构建有限元分析模型，模拟复合材料构件在螺栓预紧力和强迫装配的条件下发生变形的情况，并对复合材料层合板不同铺叠层的应力情况进行仿真，探寻其变形和应力的特点。如图1.1所示，两块复合材料平板构件通过螺栓连接，在拉伸试验机上，左端夹具固定，右端夹具向下移动一个大小为3.5mm的位移，从而模拟飞机复合材料构件有一定量的强迫装配时的结构变形。图1.1实验示意图1.3.2仿真软件平台有限元分析方法是将庞大而复杂的实际系统离散为有限个简单而相互作用的微小单元，通过数值逼近的方法求解复杂的实际问题。ABAQUS是由达索公司开发的，一款功能强大的有限元分析软件，是目前使用最为广泛的有限元分析软件之一。其突出有点在于：a)计算能力强大，可以求解复杂力学系统和高度非线性问题。b)建模和结果模块都提供了可视化界面人机，交互友好。c)提供了多种单元种类和材料模型以对应不同的情况和需求。1.3.3复合材料构件有限元模型的构建实验所用的复合材料平板是使用X850单向带材料以不同的角度铺叠18层制成。所以首先将X850单向带材料在料在室温下的各向宏观力学属性以工程常数的形式输入到ABAQUS中，创建同名的材料属性。X850单向带材料在室温下的各向宏观力学属性如表1.1所示，该材料在ABAQUS中的定义方法和界面如图1.1所示。表1X850单向带材料参数值材料特性室温下性能纵向拉伸模量E195000横向拉伸模量E8580法向拉伸模量E8580面内剪切模量G4570面外剪切模量G2860面外剪切模量G4570泊松比ν0.33泊松比ν0.48图1.2X850单向带材料在ABAQUS中的定义 通过3D激光扫描和曲面逆向建模得到复合材料平板模型在导入到ABAQUS中后，首先需要均等地划分为18层，对应复合材料平板在生产制造时铺叠的18个铺层，然后对这18个铺层赋予材料属性。X850是有强各向异性的材料，铺层的顺序和方向对实验结果有非常大的影响。以平板的长度方向为0°方向，将复合材料构件的铺层顺序和方向信息记录在表1.2中，将0°铺层的铺层信息记录如图1.3所示。图1.3等分为18层的复合材料平板模型表1.2复合材料构件的铺层顺序和方向铺层方向/度(deg)第一层45第二层-45第三层0第四层90第五层0第六层45第七层90第八层-45第九层0第十层0第十一层-45第十二层45第十三层90第十四层0第十五层90第十六层0第十七层-45第十八层45图1.40°铺层方向图完成复合材料试验件的材料属性设置后，对其划分网格，并将网格属性设置为线性减缩积分。接着完成对垫片和夹具的建模和划分网格。根据上文对实验模型的分析，夹具在加紧时会正好走过垫片的厚度，和下方的表面齐平，因此垫片的厚度代表了强迫装配的程度，在此实验中根据实际情况设置为3.5mm。垫片的单元类型设置为三维可变形实体单元，网格设置为线性减缩积分。试验机所用夹具为高强度金属，在实验中变形远远小于复合材料试验件，因此在有限元分析中可以将夹具视作完全刚性，使用离散刚体的方式进行建模，网格类型对应设置为刚体网格。1.3.4相互作用的设定在将螺栓、带孔复合材料平板、夹具、垫片共计9个模型装配完成后，向下列表面添加约束。1)使用接触约束约束复合材料平板构件上的沉头孔和螺栓。2)使用接触约束约束复合材料平板构件上的光孔和螺钉。3)使用接触约束约束复合材料平板构件表面和螺母。4)使用绑定约束约束复合材料平板构件和夹具。5)使用接触约束约束复合材料平板构件和夹具。图1.5ABAQUS中的装配体图1.7ABAQUS中的相互作用1.3.5分析步设定本实验中共设计了6个分析步，每一步的功用如表1.3所示表1.3分析步及其功用分析步编号分析步名称分析步作用0Initial初始分析步1接触施加较小预紧力，使模型建立接触关系2夹紧夹具向中间移动，夹住试件3松弛为了增加模型收敛性而设计的分析步，失效为避免刚性位移而设计的临时约束4预紧施加所有的预紧力，使两块试验件通过螺栓连接到一起5弯曲夹具向下移动，模拟强迫装配在前三个分析中，因为ABAQUS的装配模块中仅仅将各表面放在一起，并没有建立接触和相互作用，为了限制试验件的整体刚性位移，防止因此导致模型不能收敛，本实验在试验件的两端设置了两个额外的边界条件和两个额外分析步，使试验件能够缓慢接触，产生应力。在两表面有挤压产生法向应力后，摩擦力已经能够约束两个表面的整体位移，因此选择在分析步3失效前三个分析步建立的临时边界条件。图1.8增加收敛性的临时约束1.3.6实验结果分析提交任务，完成仿真程序的运行后，切换到可视化模块查看结果。首先查看垂直于试验件表面方向的位移云图，并和实验时使用DIC照相测得的数据进行对比