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基于子模型方法的钉群连接强度万博max官网手机版_NO.1

发布于:2021-07-14 21:20
万博max官网手机版_NO.1

       钉群连接区是飞机复合材料结构中的薄弱部位,进行连接结构设计时需要准确地分析结构损伤模式和选择合理的破坏判据用以计算结构连接强度。目前较为有效的损伤分析方法是渐进损伤累积方法,通过损伤扩展的数值模拟可以得到复合材料在外载下损伤起源与最终破坏形态。此方法精度较高,但需要建立精细的结构万博max官网手机版_NO.1模型,并在加载过程中对单元材料实施刚度衰减。对于复杂钉群连接结构,损伤主要位于螺栓孔附近,如果进行损伤累积模拟,就必须在螺栓孔等细节位置划分精细的网格,这可能导致有限元模型过于庞大而难以计算。而且当结构中某些细节参数发生改变,如螺栓孔径,总体模型必须重新划分网格和重新计算,分析效率低下。
       为了能够用损伤累积的方法分析复杂钉群结构中复合材料的损伤模式和强度,并保证分析效率,本文采用总体模型和子模型相结合的方法,由钉群结构的二维总体模型计算局部结构的位移边界条件和力边界条件,将其施加在局部结构的子模型中,并利用三维子模型进行复合材料的损伤累积模拟和损伤模式分析。
       子模型是指当结构较为复杂,整体有限元模型难以保证局部网格足够精细时,为了得到局部区域精确的求解结果,将其从总体模型中取出并划分精细的网格建立局部结构的细节模型,称为子模型或局部(Local)模型,相应地,总体模型称为全局(Global)模型,利用子模型独立计算局部区域应力应变的方法,也称为Global/Local法。在子模型独立求解时,边界条件来源于整体模型的计算结果,可以是位移边界条件,也可以是应力、温度等。子模型方法中总体模型可以采用较粗网格划分,计算时间短,又因为子模型独立建模计算,所以当局部结构的改变对总体模型计算结果影响不大时,如倒角、圆角、过渡圆等,只需要更改子模型而不需要对总体模型重新进行计算。这些优点使得子模型方法在结构分析领域得到了广泛的应用。
       子模型方法的核心在于从整体结构中获取子模型的边界条件,并以适当的方式施加在子模型上。商用万博max官网手机版_NO.1软件ABAQUS提供了两类子模型边界条件的施加方式,分别是基于节点的子模型法(Node-basedSubmodeling)和基于面的子模型法(Surfaee-basedSubmodeling)。基于节点的子模型法将总体模型的求解结果,例如位移,作为边界条件直接施加在子模型的边界节点上。该方法首先根据子模型与总体模型的相对位置关系确定子模型边界节点所对应的总体模型中的参考节点;然后选择合适的插值函数,由总体模型中参考节点的位移结果插值得到子模型边界节点的位移值;最后将此位移值作为位移约束施加在子模型边界节点上并进行子模型的求解。基于面的子模型法主要用于需要将总体模型所求解的应力场作为子模型边界约束的情况。在ABAQUS中进行子模型法分析的主要步骤为:
       (1)完成对总体模型的分析,并保存子模型边界附近的分析结果;
       (2)创建子模型,定义子模型的边界;
       (3)设置各个分析步中的驱动变量;
       (4)设置子模型的边界条件、载荷、接触和约束;
       (5)提交对子模型的分析,检查分析结果。
       子模型法分析结构损伤模式首先要判断可能出现损伤的位置,然后将细节结构单独取出来建立子模型,最后在子模型中用损伤累积的方法模拟细节结构的损伤扩展和分析最终破坏形态。这一过程中需要建立包含若干个分析模型的模型体系。
       对于复杂壁板类结构的钉群连接区,模型体系可以划分为三级,分别称为总体模型、二级子模型和三级子模型。总体模型根据壁板整体结构特点建立,模型尺寸较大,但局部细节(如螺栓及其与被连接件的接触边界条件)被忽略,主要用于整体应力应变状态的计算和强度估算。从总体模型中可以选定需要进一步研究的二级子模型,总体模型的计算结果将作为二级子模型的边界约束条件。二级子模型是总体模型的典型区域,其模型网格划分较细致,并体现出螺栓连接件及其与被连接件的接触关系,从中可以获得较为准确的钉载计算结果和判定损伤可能出现的区域,并将此区域取出单独建立三级子模型。三级子模型用于损伤扩展模拟和破坏模式分析,在此模型中随着外载的增加要对单元材料实施刚度消减,由三级子模型的分析结果可以最终确定结构的破坏模式并确定破坏判据,以上三级模型的功能与相互关系如图所示。


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