專利名稱：用于模擬兩個(gè)部件的粘合接頭的特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于模擬通過粘合層接合的兩個(gè)部件的接頭的特性(behavior)的方 法，且更特別地，涉及用在航空結(jié)構(gòu)中諸如平翼板和加強(qiáng)元件之類的兩個(gè)復(fù)合材料部件的 接頭。
背景技術(shù)：
在航空結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用復(fù)合材料在二次世界大戰(zhàn)之后逐漸開始。最初的材料(基 本上是埋入聚脂樹脂中的玻璃纖維)用在諸如雷達(dá)罩、天線的保護(hù)裝置和船體的次要結(jié)構(gòu) 元件的設(shè)計(jì)中。新材料研究的不斷發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致在更多的飛機(jī)零件中逐漸使用這些新材 料。當(dāng)研究復(fù)合材料的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的更大的部件的設(shè)計(jì)開始時(shí)，自從用復(fù)合材料完整設(shè) 計(jì)的客機(jī)的第一主要結(jié)構(gòu)元件的驗(yàn)證的里程碑在二十世紀(jì)八十年代實(shí)現(xiàn)之后到今天，這些 材料的性能和它們特性的知識兩者的加速發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過了 25年。大多數(shù)用在航空工業(yè)中的復(fù)合材料由以預(yù)浸漬材料或“預(yù)浸料”形式埋入熱硬化 性或熱塑性樹脂基質(zhì)中的纖維或纖維束構(gòu)成。非詳盡地，可以在三個(gè)基本方面列舉復(fù)合材料的優(yōu)勢-它們相對于金屬材料的高強(qiáng)度系統(tǒng)。它是強(qiáng)度/重量綜合體。-它們在疲勞載荷下出色的特性。-隱藏在材料的各向異性后面的結(jié)構(gòu)最佳化的可能性和結(jié)合具有不同取向的纖維 的可能性，允許設(shè)計(jì)具有根據(jù)施加的載荷適應(yīng)不同需求的不同機(jī)械特性的元件。雖然能夠以單個(gè)部件制造諸如加強(qiáng)板之類具有復(fù)雜形狀的航空結(jié)構(gòu)，但通過更有 效的是分開制造翼板和加強(qiáng)桿，隨后通過粘合元件連接它們，在這種情況中，被連接的部件 的結(jié)構(gòu)特性在邏輯上取決于每個(gè)組成部件的特性和所使用的粘合元件的特性，必須以非常 苛刻的損壞標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)粘合元件。在現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)主要采用兩種方法來分析復(fù)合材料部件的粘合接頭特性測試方 法和分析方法。測試方法的優(yōu)點(diǎn)在于它們允許在沒有任何主要的復(fù)雜因素的情況下分析復(fù)雜的 (實(shí)際)幾何形狀和考慮非線性效應(yīng)和荷載偏心，并且它們的缺點(diǎn)是它們不允許進(jìn)行參數(shù) 分析，而參數(shù)分析在設(shè)計(jì)活動(dòng)是重要的，并且它們復(fù)雜且很昂貴。分析方法的優(yōu)點(diǎn)在于，一旦實(shí)施，它們使得計(jì)算成本降低，且它們允許進(jìn)行快速的 參數(shù)分析(這在設(shè)計(jì)中是重要的)，并且它們的缺點(diǎn)是它們不(簡單地)預(yù)期兩個(gè)尺寸問題 和/或非線性問題，諸如涉及大位移和旋轉(zhuǎn)的問題、粘性材料的塑料特性、取決于結(jié)構(gòu)變形 的施加的載荷的方向。本發(fā)明的目標(biāo)是解決這些方法的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于模擬兩個(gè)復(fù)合材料部件之間的粘合接頭的方法和系統(tǒng)， 其便于確定其損壞標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供用于模擬兩個(gè)復(fù)合材料部件之間的粘合接頭的方法 和系統(tǒng)，其允許考慮這些類型結(jié)構(gòu)特性的非線性典型性來確定其損壞標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供用于模擬兩個(gè)復(fù)合材料部件之間的粘合接頭的方法 和系統(tǒng)，其便于為接頭元件的幾何參數(shù)的不同值確定其損壞標(biāo)準(zhǔn)，因此便于接頭的參數(shù)分 析，特別是在存在于代表航空結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)板中的接頭的情況中。在第一方面中，通過用于輔助設(shè)計(jì)具有粘合材料層的兩個(gè)復(fù)合材料部件的結(jié)構(gòu)接 頭的計(jì)算機(jī)輔助方法實(shí)現(xiàn)這些和其它方面，該方法包括下述步驟-提供用于分析所述結(jié)構(gòu)接頭的具有全部相關(guān)信息的有限元模型；-提供用于在粘合材料層經(jīng)受拉伸/剝離和剪切應(yīng)力時(shí)計(jì)算粘合材料層(13)的變 形的計(jì)算模型，包括處于拉伸/剝離狀態(tài)下的線性類型和處于剪切狀態(tài)下的非線性類型的 粘合劑的塑料特性；-通過應(yīng)用所述計(jì)算模型，模擬所述粘合接頭的特性，以獲得每個(gè)故障模式的故障 指數(shù)。在第二方面中，通過用于輔助設(shè)計(jì)具有粘合材料層的兩個(gè)復(fù)合材料部件的結(jié)構(gòu)接 頭的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這些和其它目標(biāo)，該系統(tǒng)包括_所述結(jié)構(gòu)接頭的由計(jì)算機(jī)執(zhí)行有限元模型，具有用于在粘合材料層經(jīng)受拉伸/ 剝離和剪切應(yīng)力時(shí)計(jì)算粘合材料層的變形的計(jì)算模型，包括處于拉伸/剝離狀態(tài)下的線性 類型和處于剪切狀態(tài)下的非線性類型的粘合劑的塑料特性，其允許模擬所述粘合接頭的特 性，以獲得每個(gè)故障模式的故障指數(shù)；-由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的模數(shù)，該模數(shù)包含所述接頭的相關(guān)特性的參數(shù)定義，并且允許提 供所述有限元模型的輸入數(shù)據(jù)；本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從接下來的與附圖相關(guān)的目標(biāo)的說明性實(shí)施方式的 詳細(xì)描述推斷出。


圖1為兩個(gè)復(fù)合材料部件平翼板和加強(qiáng)元件之間的粘合接頭的示意圖。圖2為本發(fā)明的方法目標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖。圖3示出了粘合材料的塑料特性的分析模型。圖4示出了處于拉緊和處于剪切下的粘合材料的去耦塑料特性。圖5示出了用于本發(fā)明的方法目標(biāo)的實(shí)施方式中的FEM模型。圖6示出了用來采用NASTRAN軟件模擬接頭的基本部件的元件。圖7示出了分配至連接粘合層的中面(mid-surface)上的每對同一位置節(jié)點(diǎn)的彈 簧的區(qū)域。圖8和9示意性地示出了計(jì)算拉伸/剝落和剪切剛性的方法。圖10示出了用于在塑性分析中通過迭代過程計(jì)算剛性的過程。圖11、12和13示出了在塑性分析實(shí)現(xiàn)收斂所必需的迭代結(jié)果。
圖14和15示出了通過本發(fā)明的方法目標(biāo)獲得的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式如圖1中所示的粘合接頭經(jīng)常用在航空結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)板中，在圖1中加強(qiáng)板15通 過粘合層13連接至翼板11。這些類型的粘合接頭的問題是具有下列基本特性的問題-它是二維問題，其可以具有復(fù)雜的幾何形狀。_三維粘合體中的應(yīng)力條件包括拉伸(剝離)應(yīng)力和剪切應(yīng)力。-會(huì)出現(xiàn)由于翹曲現(xiàn)象導(dǎo)致的大位移或者由于由載荷偏心引起的粘合層的大旋轉(zhuǎn)。-粘合劑具有處于剪切的塑料特性。以下詳細(xì)描述本發(fā)明的方法的實(shí)施方式，包括下述三個(gè)主要步驟-準(zhǔn)備步驟21，包括定義粘合接頭的材料特性的子步驟23、定義接頭的幾何特性 的子步驟25和形成用于計(jì)算粘合層中的應(yīng)力變形的計(jì)算模型的子步驟27。-計(jì)算步驟31，包括用于執(zhí)行塑性處理的迭代過程的子步驟33。_結(jié)果顯示步驟41。在定義接頭的材料特性的子步驟23中采取下述假定-翼板11和縱梁15(S卩，粘附元件)由以線性彈性方式工作的層疊的(正交各向 異性)復(fù)合材料薄板的制成。_粘合層13的材料是各向同性的，并且特征在于具有處于拉伸和處于剪切的去耦 的(decoupled)塑料特性。在拉伸狀態(tài)下，它以線性彈性方式表現(xiàn)出具有脆性斷裂，在剪切 狀態(tài)下，它以非線性方式表現(xiàn)處具有大的塑性斷裂變形(取決于粘合劑的類型，Y約為0.3 至 0. 4)。-給定工作溫度，具有變形率的粘合材料的特性的依賴性被放棄。_根據(jù)使用的粘合材料的類型、粘合層的厚度、接頭的幾何尺寸和該接頭工作方式 對塑料特性模型化。如下文說明的那樣，具有根據(jù)前一段中所列出的特性表現(xiàn)更好或更壞的不同的增 塑標(biāo)準(zhǔn)。如從圖3中可以推斷出來，一方面根據(jù)不同的分析標(biāo)準(zhǔn)，另一方面根據(jù)實(shí)際試驗(yàn) 結(jié)果，在圖3中用圖表示出了根據(jù)不同分析標(biāo)準(zhǔn)抵抗對接型試樣的變形的應(yīng)力，最好的分 析標(biāo)準(zhǔn)是二次Drucker-Prager標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)流體靜應(yīng)力具有大的值時(shí)，無論它為正或?yàn)樨?fù)，線 性標(biāo)準(zhǔn)都產(chǎn)生大于實(shí)際應(yīng)力的增塑應(yīng)力。這使得不推薦它用于加強(qiáng)桿和翼板之間的粘合接 頭，因?yàn)榇嬖诰哂写蟮牧黧w靜應(yīng)力值的區(qū)域是很普遍的?？紤]流體靜應(yīng)力的增塑標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上基于微腔的產(chǎn)生和合并以近似的方式模擬拉 伸應(yīng)力在增塑過程中具有的作用。這是當(dāng)在粘合層中出現(xiàn)大量變形時(shí)將要考慮的現(xiàn)象，它 們是意圖基本上在拉伸狀態(tài)進(jìn)行工作的接頭。如已經(jīng)提及的那樣，取決于粘合劑是否經(jīng)受剪切或拉伸或剝離，粘合劑的塑料特 性大不相同。這可以在示出實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的圖4中看出。處于剝離狀態(tài)下的特性實(shí)質(zhì)上是 線性的，并且在應(yīng)力水平達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)出現(xiàn)故障，這是脆性特性，而處于剪切狀態(tài)下的 特性在幾乎恒定的應(yīng)力下是高度非線性的，在剪切狀態(tài)下的大的變形值處出現(xiàn)故障。
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這種去耦特性使通常到現(xiàn)在都在執(zhí)行的具有3D元素的模型(NASTRAN中的HEXA 類型)的使用存在問題，因?yàn)樗鼈兪褂弥T如VonMises組合的應(yīng)力組合，該應(yīng)力組合在實(shí)際 上幾乎不存在處于拉伸狀態(tài)和處于剪切狀態(tài)下的任何塑料特性的耦合時(shí)必須遵循應(yīng)力/ 變形曲線。為了通過常規(guī)有限元模型考慮這個(gè)問題，需要復(fù)制節(jié)點(diǎn)和要素，以在物理上分開 這兩種特性。然而，在本發(fā)明的方法目標(biāo)中，使用了具有彈簧的模型，其中對于粘合層的每一個(gè) 點(diǎn)，存在模擬處于剝離狀態(tài)下的特性的彈簧和模擬處于剪切狀態(tài)下的特性的另外兩個(gè)彈 簧。如果以迭代的方式執(zhí)行，則可以使粘合劑的各個(gè)點(diǎn)遵循處于剪切狀態(tài)下的非線性應(yīng)力 /變形曲線(材料的實(shí)驗(yàn)性曲線)，并維持處于拉伸/剝離狀態(tài)下的彈性特性，從而假設(shè)處 于拉伸/剝離狀態(tài)和處于剪切狀態(tài)下的所提及的去耦特性。在子步驟25中，結(jié)構(gòu)的所有特性都在如下示出的"modelo.dat”文件中定義，指 示每個(gè)變量的含義，并且其被恰當(dāng)?shù)貥?gòu)造為用于使得能夠通過執(zhí)行數(shù)據(jù)中對應(yīng)的變化來進(jìn) 行對應(yīng)的參數(shù)研究。S(縱梁間的臺(tái)階/mm) 270。
AR(翼板的剩余寬度/mm) 100。
tp (翼板的厚度/mm) 5。
η (縱梁的數(shù)量/mm) 2。
al (縱梁底座的寬度/mm) 70。
tpl (縱梁底座的厚度/mm) 3。
Hl (縱梁的高度/mm) 80。
tad (粘合劑的厚度/mm)0. 15。
NeyAR(剩余寬度中與y相應(yīng)的要素的數(shù)量)2。
Neyil (縱梁之間的翼板塊中的與y相應(yīng)的要素的數(shù)量)3。
Nez (縱梁連接板中與ζ相應(yīng)的要素的數(shù)量)5。
H(連接板相對于縱梁底座中的縱梁側(cè)面的位置/mm) 30。
NeyplK縱梁底座中的右段中與1相應(yīng)的要素的婁糧)5。
Neypl2 (縱梁底座中的左段中與y相應(yīng)的要素的婁糧)7。
NeyclK縱梁頂端中的右段中與y相應(yīng)的要素的婁糧)5。
Neycl2 (縱梁頂端中的左段中與y相應(yīng)的要素的婁糧)4
ac (縱梁頂端的寬度或尺寸)50。
Hs (連接板相對于縱梁頂端中的縱梁側(cè)面的位置/'mm) 30 ο
DBC, STEPl, STEP2, STEP3, STEP4, STEP5, STEP6, STEP7, STEP8, STEP9, DBC1,
ncost (肋部之間的間隔的長度 /mm) 200. 600. 200. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2NexDBC, NexSl，NexS2，NexS3, NexS4, NexS5, NexS6, NexS7, NexS8, NexS9, NexDBCl 40 10 20 0 0 0 0 0 0 0 0ρ (每單位長度的軸向載荷N/mm) 100。q(每單位長度的剪切載荷N/mm) 130。翼板層壓板(第一線層數(shù)；第二線θ 1，θ 2，…θ i, ... 920;第三線過142，... ti, ...t20)20
45. -45. 90. 0. 90. -45. 45. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 45. -45. 90. 0. 90. -45. 45.0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 250. 25 0. 25 0. 25 0. 25縱梁底座迭片(第一線層數(shù)；第二線θ 1，θ 2，…θ i，θ 20 ；第三線tl， t2,…ti，...t20)12+45 -45. 90. 0. 90. 0. 0. 90. 0. 90. -45. 45. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.縱梁連接板迭片(第一線層數(shù)；第二線θ 1，θ 2，…θ i，…θ 20 ；第 三線:tl, t2, -ti,…t20)12+45 -45. 90. 0. 90. 0. 0. 90. 0. 90. -45. +45 0· 0· 0· 0· 0· 0· 0· 0·0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.縱梁
頂端迭片(第一線層數(shù)；第二線θ 1，θ 2，- θ i, ...920;第三線舶，12，-ti,... t20)12+45 -45. 90. 0. 90. 0. 0. 90. 0. 90. -45. 45. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 25 0. 250. 25 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.在上述步驟之后，在子步驟27中，定義計(jì)算模型。有限元模型將研究的結(jié)構(gòu)目標(biāo)分成小“要素”，其中定義了作為節(jié)點(diǎn)中的位移和旋 轉(zhuǎn)的一系列的自由度(六個(gè)自由度)，其將是問題的未知數(shù)。定義函數(shù)，使得要素本身內(nèi)部的位移與節(jié)點(diǎn)中的位移相關(guān)。一旦完成了這種定義， 則采用動(dòng)態(tài)方程獲得變形，隨后借助應(yīng)用本構(gòu)方程從變形中獲得應(yīng)力。虛功原理(或其它能量原理)隨后應(yīng)用于每種類型的要素，并獲得它們的剛度矩 陣。剛度矩陣將節(jié)點(diǎn)中的力與位移相關(guān)聯(lián)。一旦在本地軸中計(jì)算出每個(gè)要素的剛度矩陣， 則其必須通過參考系統(tǒng)變化矩陣被改變至全局軸。在這已經(jīng)完成之后，組合所有要素的剛度矩陣，以獲得結(jié)構(gòu)的全局剛度矩陣。重要的是，考慮到一旦應(yīng)用虛功原理到要素，在全局水平處其平衡被遵守，但隨后 在采用本構(gòu)方程獲得的應(yīng)力不必滿足內(nèi)部平衡方程，并且在從一個(gè)要素傳遞至另一個(gè)要素 時(shí)也不必是應(yīng)力連貫的。結(jié)構(gòu)的全局剛度矩陣是單一的，因?yàn)檫€沒有采用必要的支撐，以防止后者作為剛 性固體自由移動(dòng)，或防止表現(xiàn)得像機(jī)械裝置一樣。因此，必須消除指定為位移的自由度(單 點(diǎn)約束，SPC)以及為一系列節(jié)點(diǎn)中的位移的線性合并的自由度(多點(diǎn)約束，MPC)。載荷隨后施加到節(jié)點(diǎn)中。在這一點(diǎn)上，獲得的矩陣通常是規(guī)則的，因此等式系統(tǒng)準(zhǔn) 備好被求解。采用商用NASTRAN計(jì)算機(jī)程序和本發(fā)明方法目標(biāo)的計(jì)算機(jī)程序來執(zhí)行FEM模型， 以處理前述提供輸入數(shù)據(jù)的“modelo. dat”文件。產(chǎn)生的FEM模型在圖5中示出，其中可以看見定義模型的幾何尺寸和接線框的參數(shù)。本發(fā)明方法目標(biāo)的計(jì)算機(jī)程序還產(chǎn)生NASTRAN輸入數(shù)據(jù)，以用二維元件模擬翼板 和縱梁，用彈簧元件模擬粘合劑。圖6示出了具有彈性的粘合層的理想化結(jié)構(gòu)。
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因此在該步驟中產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)卡、GRID卡、CQUAD4、CELAS2、RBAR要素卡、用于層壓板 的PCOMP特性卡。隨后是材料卡、用于每個(gè)層壓板的正交各向異性二維材料的MAT8。也產(chǎn) 生了用于定義邊界條件卡、SPC單點(diǎn)約束卡和定義施加的載荷的卡、FORCE卡。作為彈簧設(shè) 置在其間、在粘合劑厚度之間分開的節(jié)點(diǎn)的相對位移，還包括了標(biāo)量點(diǎn)卡、SPOINT卡和用于 定義“spoints”的自由度的MPC卡。換句話說，"spoints"的自由度的值是粘合層的每個(gè) 點(diǎn)處的變形。在同一位置節(jié)點(diǎn)(一個(gè)表面的一個(gè)節(jié)點(diǎn)和另一個(gè)表面的另一個(gè)節(jié)點(diǎn))之間，放置 連接它們的彈簧(線性的CELAS2和非線性的CBUSH1D)(與它們二者的自由度相關(guān))。彈簧 為無量綱元件，每對節(jié)點(diǎn)有三個(gè)彈簧，每個(gè)彈簧用于一個(gè)位移方向。沿ζ方向的彈簧表示粘 合劑的拉伸/剝離剛度，沿χ和y方向的彈簧表示剪切剛度。為了完成模型的定義，必須為每個(gè)彈簧指定作用區(qū)域Ai和剛度值。指定給每個(gè)彈 簧的區(qū)域Ai取決于正被連接的節(jié)點(diǎn)的位于粘合層內(nèi)的位置，如果從ζ軸觀看，這可以清楚 地看出。圖7示出了粘合層和從ζ軸指定給彈簧的區(qū)域Ai。一旦在彈簧中出現(xiàn)作用力，則這些區(qū)域用來恢復(fù)應(yīng)力。變形可以從同一位置節(jié)點(diǎn) 的位移獲得。為了獲得所述作用力、應(yīng)力和變形，假設(shè)同一位置節(jié)點(diǎn)1和2的位移Ul和U2 分別可用(參見圖6)。隨后，對于位置i Fzi=kziX (Ulz"U2Z)；σ i = F i ZZ Z/Ai
Fxi=kxiX(Uls"U2X)；ozi=F] ^jXj- 1 Xjl/Α
=k￥iX (Ul,-U2y)；σ z￥i = Fy]l/Α ε zzi = (Ulz-U2z)/ η其中η為粘合劑的厚度。y zxi = (U1X-U2X)/n ； Y zyi = (Uly-U2y) / n在前述方程中已經(jīng)引入了表示粘合層的實(shí)際拉伸/剝離和剪切剛度的剛度值。起始點(diǎn)將獲得彈簧的與ζ方向相應(yīng)的表示拉伸/剝離剛度的剛度值。在實(shí)際中出 現(xiàn)的必須被模擬，但為了簡化的目的，彈簧將與具有層厚長度和指定給節(jié)點(diǎn)的區(qū)域的橫截 面積的粘合材料梁進(jìn)行比較(參見圖8)。一旦向彈簧和梁施加作用力Fz，由于它們等效，則它們將具有一個(gè)相同的位移d。 因此Eeff. internal = Eadhesive = EKp氺delta = ai氺E氺delta/th并且隨后Kp = Ai*Eeff. internal/th ；Eadhesive = E在圖8中，已經(jīng)認(rèn)為節(jié)點(diǎn)i具有位于粘合層內(nèi)的內(nèi)部位置，但它也可以位于邊緣或 位于角部。在這些情況中，方程式相同，但必須采用有效的拉伸/剝離剛度模數(shù)Eeff. def. plan = E* ((1_ ν ) / (1- ν -2 ν 2))EfT. stress, plan = E(1-ν2)這些用于粘合層的邊緣和角部的彈簧的有效拉伸/剝離剛度模數(shù)值已經(jīng)從文獻(xiàn) "Finite Element Modeling of an Adhesive in a Bonded Joint ；FEMCIThe Book ；NASA Goddard Space Flight Center ；Farhad Tahmasebi, Ph. D. ；July，1999，，中類似的方法用于表示剪切剛度的彈簧(參見圖9)，為沿χ方向或沿y方向的彈簧
Ks = G*Ai/th作為概要，應(yīng)當(dāng)規(guī)定下述內(nèi)容-彈簧剛度的表達(dá)式如下
, E1Ai τ 制 ftFf = --=“一
1^Jfi^atflr_對于位于粘合層的其中拉伸/剝離應(yīng)力增加的區(qū)域中的彈簧，在端部，由于除了 粘合層的小厚度外附著物相對于粘合劑的剛度更大的事實(shí)，因此必須使用沿ζ方向的E’ < E的有效模數(shù)，防止當(dāng)沿正常方向拉粘合劑時(shí)粘合劑在其位置上收縮，這等效于沿該方 向變硬。-當(dāng)沿χ和y方向防止粘合層變形時(shí)(層邊緣-FEMCI，NASA,FarhadTahmasebi)
σ: (1 - υ)(1 - υ) Ξ_Γ( ^υ)(1-2υ) ( -υ-2υ2)-當(dāng)僅在一個(gè)方向上防止粘合層變形時(shí)(層角部-FEMCI，NASA,Farhad Tahmasebi)
σ, E""^二^；-γ = η
εε l-U"-對于模型的每個(gè)彈簧，產(chǎn)生了SP0INT，其為變形，它的自由度通過MPC定義。-應(yīng)當(dāng)觀察到，對于εzz，MPC的結(jié)構(gòu)將是下面的MPC 40000 IDspoint 0 tadhesiv ID1 3 -1.ID23 1.MPC的等式將如下UOspoint X tadhesiv+U3G1 X (_1)+U3G2X 1 = 0下面的等式是從該等式獲得的VOspoujt = ~S-— = ^zz
^■pSwsfv在優(yōu)選的實(shí)施方式中，認(rèn)為在粘合層的厚度小于Imm時(shí)，該模型提供了最佳結(jié)果。在子步驟31中，根據(jù)是否將考慮大的旋轉(zhuǎn)和位移，用線性或非線性解計(jì)算模型。當(dāng)要解決的問題不具有大的位移且材料以彈性方式起作用時(shí)(將采用下文將描 述的迭代過程單獨(dú)研究塑性)，可以采用NASTRAN線性解101，其找到解決之前的方程式系 統(tǒng)的辦法，轉(zhuǎn)化剛度矩陣，并獲得節(jié)點(diǎn)中的位移。隨后恢復(fù)變形和應(yīng)力。當(dāng)前述條件(小位移)未出現(xiàn)，而是存在大得足以明顯影響剛度矩陣的位移時(shí)，因 此隨著結(jié)構(gòu)的變形而改變施加載荷的方向，隨后必須使用諸如NASTRAN解106或解600之 類的非線性解。非線性解用來再生要研究的問題的非線性作用。它們以增量施加載荷，對于每個(gè) 增量，執(zhí)行迭代，直到實(shí)現(xiàn)收斂條件。剛度矩陣被更新，以考慮結(jié)構(gòu)幾何形狀的變化。非線 性分析的主要參數(shù)由成批數(shù)據(jù)的NLPARM卡定義。在這種卡中規(guī)定了將要考慮的載荷增量 的數(shù)量、每次剛度矩陣值將要被更新多少次迭代、每個(gè)增加的最大迭代次數(shù)、載荷增量的最
9大二等分?jǐn)?shù)量和收斂標(biāo)準(zhǔn)所考慮的值。由于結(jié)構(gòu)的幾何尺寸已經(jīng)由于出現(xiàn)大的位移而改變，為了使剛度矩陣被更新，參 數(shù)PARAM、LGIDISP、1(或2)必須進(jìn)入NASTRAN輸入。如上文已經(jīng)提及到的那樣，非線性解 以小的間隔ΔΡ施加載荷P，它們一個(gè)接一個(gè)地施加。每次施加載荷增量ΔΡ，結(jié)構(gòu)就不平 衡，在節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)位移，但由于元件的剛性，趨向于平衡載荷F = Ρ+ΔΡ的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的反作 用增加，隨后結(jié)構(gòu)再次達(dá)到平衡狀態(tài)。為了計(jì)算這個(gè)新的平衡狀態(tài)，執(zhí)行下文描述的迭代過程，其中剛度矩陣值將在 每完成預(yù)設(shè)次數(shù)的迭代時(shí)被更新，直到達(dá)到收斂，即，節(jié)點(diǎn)中的內(nèi)部反作用平衡外部載荷 P+Δ P。迭代過程對于每個(gè)ΔΡ，F(xiàn)-R(u) = K(u)xdu(1)，其中F = P+AP是累積的載荷。K(u)為切線剛度矩陣。R(u)表示節(jié)點(diǎn)中的內(nèi)部反作用，其采用下述積分計(jì)算R = Selem / βτσ d ν (2)隨后F-R(UH) = K(IiH)Xdui從此解出Clui,并且獲得…=uH+duS其再次被引入，因此迭代執(zhí)行所述過程，直 到達(dá)到收斂，即，當(dāng)IR(Ui)-Fl < ε時(shí)，ε為可以改變的值，且基于該值認(rèn)為解已經(jīng)收斂， 即，已經(jīng)達(dá)到平衡。當(dāng)在每次迭代中更新剛度矩陣時(shí)，涉及Newton-Raphson方法。由此施加ΔΡ，直到施加了正被研究的問題的完整載荷。不是總能實(shí)現(xiàn)解的收斂，隨后必須改變迭代過程的參數(shù)。一旦計(jì)算出未知數(shù)的值，即節(jié)點(diǎn)中的位移，則恢復(fù)元件中的位移、變形和應(yīng)力。在子步驟33中，分析粘合層的塑性。在此結(jié)束時(shí)，使用迭代過程，從而使粘合劑的 每一點(diǎn)遵從材料處于剪切狀態(tài)下的非線性定律?？梢圆捎孟率鏊惴▉韴?zhí)行迭代a)對于第一次NASTRAN運(yùn)行，假設(shè)彈簧剛度G為G = G。運(yùn)行程序，并且Fxi，F(xiàn)Yi， Fzi，δχ , δ (位置i中的同一位置節(jié)點(diǎn)的彈簧中的力以及沿χ和y方向的相對位移)。b)計(jì)算每個(gè)位置i的拉伸/剝離應(yīng)力、剪切應(yīng)力和剪切變形c)對于每個(gè)位置i，觀察是否大于τ e，并且如果確實(shí)是這樣，則在該位置中存 在塑性。如果> ε，則認(rèn)為不存在收斂，并且隨后計(jì)算割線模數(shù)(參見圖 10)G1,係d)采用新的模數(shù)計(jì)算彈簧的新的剪切剛度，再次以新的輸入運(yùn)行NASTRAN，獲得 每個(gè)位置i的τ/和Y/，隨后再次執(zhí)行相同的過程。如果τ( γ< ε，將是收斂，相反，計(jì)算割線模數(shù)G2等等。e)如果在所有的位置i都出現(xiàn)收斂之前，在它們中的任一個(gè)中，ozi> 0_或Yi > Ymax，則假設(shè)接頭已經(jīng)出現(xiàn)故障，停止迭代。圖11、12、13示出了，對于一定的載荷增量值，在用于采用所描述的過程的例子中 收斂所需要的三次迭代的結(jié)果。通過運(yùn)行模型，結(jié)束計(jì)算步驟31，根據(jù)在前面部分中描述的迭代過程修正處于剪 切狀態(tài)下的塑性，直到。z(剝離)值和Yxy(剪切)值中的任意一個(gè)超過容許值。如在圖14和15中可以看見的那樣，在結(jié)果顯示步驟41中，獲得了沿兩個(gè)方向的 剝離和剪切應(yīng)力的三維表示以及每個(gè)故障模式的故障指數(shù)，這允許預(yù)測在哪一點(diǎn)和如何出 現(xiàn)粘合劑故障。圖14示出了應(yīng)變-剪切、剝離應(yīng)力和剪切變形的分布。可以觀察到塑性的作用如 何趨向于使應(yīng)變水平均勻。圖15示出了整個(gè)粘合層中的故障指數(shù)分布。作為迭代塑性研究的結(jié)果，可以使用 基于變形的故障指數(shù)，并且可以精確地獲得接頭的弱點(diǎn)，即，將開始出現(xiàn)故障的位置?？梢栽趧倓傄呀?jīng)被描述的優(yōu)選實(shí)施方式中引入包括在由接下來的權(quán)利要求限定 的保護(hù)范圍之內(nèi)的修改。
權(quán)利要求
一種計(jì)算機(jī)輔助方法，用于輔助設(shè)計(jì)具有粘合材料層(13)的兩個(gè)復(fù)合材料部件(11，15)的結(jié)構(gòu)接頭，包括下述步驟a)提供用于分析所述結(jié)構(gòu)接頭的具有全部相關(guān)信息的有限元模型；b)提供用于在粘合材料層(13)經(jīng)受拉伸/剝離和剪切應(yīng)力時(shí)計(jì)算粘合材料層(13)的變形的計(jì)算模型，所述計(jì)算模型包括處于拉伸/剝離狀態(tài)下的線性類型和處于剪切狀態(tài)下的非線性類型的粘合劑的塑料特性；c)通過應(yīng)用所述計(jì)算模型，模擬所述粘合接頭的特性，以獲得每個(gè)故障模式的故障指數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輔助方法，特征在于，通過二維元件模擬所述兩個(gè)復(fù) 合材料部件(11，15)，并通過彈簧元件(1，2)模擬粘合層(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中的任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)輔助方法，特征在于，所述兩個(gè)復(fù)合材 料部件(11，15)為航空結(jié)構(gòu)的翼板和加強(qiáng)元件，并且特征在于，粘合材料層(13)的厚度小 于 Imm0
4.一種用于輔助設(shè)計(jì)具有粘合材料層(13)的兩個(gè)復(fù)合材料部件(11，15)的結(jié)構(gòu)接頭 的系統(tǒng)，采用了所述結(jié)構(gòu)接頭的由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的有限元模型，特征在于a)該系統(tǒng)包括由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的模數(shù)，該模數(shù)包含所述接頭的相關(guān)特性的參數(shù)定義，并 且該系統(tǒng)允許提供所述有限元模型的輸入數(shù)據(jù)；b)所述有限元模型包括用于在粘合材料層(13)經(jīng)受拉伸/剝離和剪切應(yīng)力時(shí)計(jì)算粘 合材料層(13)的變形的計(jì)算模型，所述計(jì)算模型包括處于拉伸/剝離狀態(tài)下的線性類型和 處于剪切狀態(tài)下的非線性類型的粘合劑的塑料特性，并且所述計(jì)算模型允許模擬所述粘合 接頭的特性，以獲得每個(gè)故障模式的故障指數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，特征在于，所述兩個(gè)復(fù)合材料部件(11，15)為航空結(jié)構(gòu) 的翼板和加強(qiáng)元件，并且特征在于，粘合材料層(13)的厚度小于1mm。全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于模擬具有粘合材料層(13)的兩個(gè)復(fù)合材料部件(11，15)的粘合接頭的特性的方法，包括下述步驟a)提供具有用于分析結(jié)構(gòu)接頭的所有相關(guān)信息的有限元模型；b)提供用于在粘合材料層(13)經(jīng)受拉伸/剝離和剪切應(yīng)力時(shí)計(jì)算粘合材料層(13)的變形的計(jì)算模型，包括處于拉伸/剝離狀態(tài)下的線性類型和處于剪切狀態(tài)下的非線性類型的粘合劑的塑料特性；c)通過應(yīng)用計(jì)算模型，模擬粘合接頭的特性，以獲得每個(gè)故障模式的故障指數(shù)。本發(fā)明還涉及一種用于采用所述結(jié)構(gòu)接頭的由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的有限元模型輔助設(shè)計(jì)所述結(jié)構(gòu)接頭的系統(tǒng)。
文檔編號G06F17/50GK101925901SQ200980103143
公開日2010年12月22日 申請日期2009年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者伊格納西奧·里韋拉羅德里格斯, 胡安路易斯·德拉甘達(dá)拉貝拉諾 申請人:空客運(yùn)營有限公司