考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及复合材料先进连接领域，特别是涉及一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统。

背景技术

螺栓连接因其结构简单、方便拆卸、低成本等特点广泛应用于各类工程结构中，在应用先进复合材料现代飞行器制造中仍占有重要的地位。由于飞机结构上的每一个机械连接孔都破坏了材料完整性，影响机械连接部位服役强度的主要因素是孔边的应力集中、孔壁的微损伤以及制孔精度，尤其对于复合材料构件。因此连接孔的制孔精度和装配质量是影响飞机结构件连接可靠性和服役强度的关键因素。

CFRP材料是典型的难加工材料。CFRP层合板是具有非匀质性、各向异性、硬度高的非金属材料，层间结合强度极低，切削加工过程中容易出现分层、劈裂、径向挤伤、次表层损伤等加工缺陷。材料断裂形式以纤维的脆性断裂为主，碳纤维对刀具刃口的摩擦作用导致刀具刃口快速钝化，刀具寿命短。这些特征使得CFRP结构的制孔过程极为困难，制孔质量和制孔精度难以保证。在螺栓连接结构中，干涉配合用于金属连接件能成倍地提高结构的疲劳寿命，成为连接结构延寿的主要方法之一。然而，干涉螺栓在安装前钉杆直径大于孔径，需要借助机械外力进行安装。由于复合材料的低延伸率和非均匀性，螺栓的挤压对复合材料孔壁沿轴向和周向造成不同程度的损伤，导致连接结构过早失效。

从国内外研究现状可以看出，现有CFRP干涉螺栓连接结构装配过程研究主要集中在复合材料的损伤形式与应力分布。有限元方法是进行复合材料连接结构装配损伤与强度预测的一种方法，然而，在相关复合材料连接结构承载强度预测中，忽略了制孔精度以及制孔与装配过程中对连接部位造成的损伤，导致螺栓与孔壁之间的装配接触关系不准确，同时，制孔与装配过程复合材料孔壁残余应力场对连接结构的拉伸强度有着重要影响，现有模型预测结果不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统，以解决现有模型预测结果准确度低，导致装配过程中易对于复合材料叠层结构造成损伤的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法，包括：

标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩；

根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型；

根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型；

根据所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型对所述复合材料叠层结构拉伸过程进行应力分析，预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度。

可选的，所述标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性，具体包括：

标定所述制孔后的复合材料叠层结构的孔周区域的损伤范围；

将所述损伤范围内的复合材料叠层结构沿着垂直于纤维法向进行区域等距离切片，并标定每个切片区域的纤维体积系数以及孔隙系数；

根据所述纤维体积系数以及孔隙系数建立带有孔隙的微观代表性体积单元；

对所述带有孔隙的微观代表性体积单元进行六个自由度的单向加载，均质化计算带有制孔损伤的等效材料属性，建立考虑层内损伤与层间损伤的本构模型；

根据所述本构模型确定所述制孔后的复合材料叠层结构的材料属性；

将所述制孔后的复合材料叠层结构等分成4块，对每个等分后的复合材料叠层结构进行摩擦系数标定实验，定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性。

可选的，所述根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型，具体包括：

建立螺栓的三维几何模型，并根据所述材料属性建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；

在装配过程中所述复合材料叠层结构的层合板之间面面接触，对孔壁区域进行十字分块，在所述螺栓与每一块所述复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，并将所述摩擦关系添加至所述接触特性；

限制复合材料叠层结构及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓水平方向与垂直方向上移动的五个自由度，设置螺栓沿孔轴向位移，建立干涉插钉载荷约束，并在上述限制下，根据所述带有制孔损伤的等效材料属性建立复合材料应力-应变本构关系；

根据所述复合材料应力-应变本构关系以及添加有摩擦关系的接触特性确定所述螺栓与所述复合材料孔壁区域之间的接触应力；

基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据所述接触应力，采用最大应力准则和三维Hashin失效准则对所述复合材料叠层结构进行损伤分析，建立所述几何与力协同插钉连接仿真模型。

可选的，所述根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型，具体包括：

读取插钉连接仿真结果文件，输出插钉连接过程的残余应力场与损伤场；所述插钉连接仿真结果文件为所述几何与力协同插钉连接仿真模型所得到的结果文件；

根据所述插钉连接仿真结果文件，建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；

基于所述设定操作，选取所述几何与力协同插钉连接仿真模型中最后一个分析步骤结果，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程；

根据所述失效判据与刚度折减模型对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型。

一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真系统，包括：

材料属性与接触特性确定模块，用于标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩；

几何与力协同插钉连接仿真模型建立模块，用于根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型；

几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立模块，用于根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型；

损伤状态与拉伸强度确定模块，用于根据所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型对所述复合材料叠层结构拉伸过程进行应力分析，预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度。

可选的，所述材料属性与接触特性确定模块，具体包括：

损伤范围标定单元，用于标定所述制孔后的复合材料叠层结构的孔周区域的损伤范围；

纤维体积系数以及孔隙系数标定单元，用于将所述损伤范围内的复合材料叠层结构沿着垂直于纤维法向进行区域等距离切片，并标定每个切片区域的纤维体积系数以及孔隙系数；

带有孔隙的微观代表性体积单元建立单元，用于根据所述纤维体积系数以及孔隙系数建立带有孔隙的微观代表性体积单元；

考虑层内损伤与层间损伤的本构模型建立单元，用于对所述带有孔隙的微观代表性体积单元进行六个自由度的单向加载，均质化计算带有制孔损伤的等效材料属性，建立考虑层内损伤与层间损伤的本构模型；

材料属性确定单元，用于根据所述本构模型确定所述制孔后的复合材料叠层结构的材料属性；

接触特性确定单元，用于将所述制孔后的复合材料叠层结构等分成4块，对每个等分后的复合材料叠层结构进行摩擦系数标定实验，定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性。

可选的，所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立模块，具体包括：

三维几何模型建立单元，用于建立螺栓的三维几何模型，并根据所述材料属性建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；

摩擦关系建立单元，用于在装配过程中所述复合材料叠层结构的层合板之间面面接触，对孔壁区域进行十字分块，在所述螺栓与每一块所述复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，并将所述摩擦关系添加至所述接触特性；

复合材料应力-应变本构关系建立单元，用于限制复合材料叠层结构及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓水平方向与垂直方向上移动的五个自由度，设置螺栓沿孔轴向位移，建立干涉插钉载荷约束，并在上述限制下，根据所述带有制孔损伤的等效材料属性建立复合材料应力-应变本构关系；

接触应力确定单元，用于根据所述复合材料应力-应变本构关系以及添加有摩擦关系的接触特性确定所述螺栓与所述复合材料孔壁区域之间的接触应力；

几何与力协同插钉连接仿真模型建立单元，用于基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据所述接触应力，采用最大应力准则和三维Hashin失效准则对所述复合材料叠层结构进行损伤分析，建立所述几何与力协同插钉连接仿真模型。

可选的，所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立模块，具体包括：

插钉连接仿真结果文件读取单元，用于读取插钉连接仿真结果文件，输出插钉连接过程的残余应力场与损伤场；所述插钉连接仿真结果文件为所述几何与力协同插钉连接仿真模型所得到的结果文件；

设定操作完成单元，用于根据所述插钉连接仿真结果文件，建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；

继承插钉力场的拉伸三维模型建立单元，用于基于所述设定操作，选取所述几何与力协同插钉连接仿真模型中最后一个分析步骤结果，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程；

几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立单元，用于根据所述失效判据与刚度折减模型对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述所述的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法。

一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法及系统，通过标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性，基于材料属性以及接触特性建立复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型，最终建立几何与力协同拉伸载荷仿真模型预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度，在复合材料叠层结构承载强度预测中，充分考虑了制孔精度以及制孔与装配过程中对连接部位造成的损伤，以及制孔与装配过程复合材料孔壁残余应力场对连接结构的拉伸强度的影响，从而提高了模型预测结果的准确性，基于几何与力协同拉伸载荷仿真模型的预测结果对装配过程进行调整，进而避免了装配过程中对于复合材料叠层结构造成损伤的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法流程图；

图2为本发明实施例二所提供的考虑几何与力协同的复合材料连接结构装配损伤分析方法流程图；

图3为本发明所提供的复合材料制孔孔周损伤切片区域示意图；

图4为本发明所提供的复合材料微观RVE材料属性匀质化计算所需位移边界条件的示意图；图4(a)为本发明所提供的弹性模量E

图5为本发明所提供的干涉插钉结构尺寸示意图；图5(a)为本发明所提供的垫板尺寸示意图；图5(b)为本发明所提供的螺栓尺寸示意图；图5(c)为本发明所提供的复合材料层合板尺寸示意图；

图6为本发明所提供的带有制孔几何偏差的复合材料插钉连接仿真模型示意图；

图7为本发明所提供的复合材料连接结构干涉插钉过程压钉力-位移曲线图；

图8为本发明所提供的复合材料连接结构拉伸载荷模型示意图；

图9为本发明所提供的复合材料连接结构拉伸载荷-位移曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法、系统及设备，提高了预测结果的准确性，避免了装配过程中对于复合材料叠层结构造成损伤的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本发明所提供的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法流程图，如图1所示，一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法，包括：

步骤101：标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩。

在实际应用中，所述步骤101具体包括：标定所述制孔后的复合材料叠层结构的孔周区域的损伤范围；将所述损伤范围内的复合材料叠层结构沿着垂直于纤维法向进行区域等距离切片，并标定每个切片区域的纤维体积系数以及孔隙系数；根据所述纤维体积系数以及孔隙系数建立带有孔隙的微观代表性体积单元；对所述带有孔隙的微观代表性体积单元进行六个自由度的单向加载，均质化计算带有制孔损伤的等效材料属性，建立考虑层内损伤与层间损伤的本构模型；根据所述本构模型确定所述制孔后的复合材料叠层结构的材料属性；将所述制孔后的复合材料叠层结构等分成4块，对每个等分后的复合材料叠层结构进行摩擦系数标定实验，定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性。

进一步的，对制孔后复合材料的材料属性进行标定，通过多尺度表征的方法，匀质化计算出带有制孔损伤的材料属性，建立考虑层内损伤与层间损伤的本构模型。此外，通过摩擦系数测量实验，对制孔后连接界面接触特性进行定量表征。

1.1)根据复合材料叠层制孔实验的要求，设计结构尺寸。

使用钻头进行制孔实验，对于制孔后的复合材料层合板，使用复合材料超声无损检测技术对孔周区域进行损伤范围标定。

1.2)将孔周损伤范围内的复合材料层合板沿着垂直于纤维法向进行区域等距离N份切片，使用SEM电镜扫描检测，获得每个区域的微观真实图像；根据显微图像，对每个区域纤维体积系数与孔隙系数进行标定，标定过程使用二值化图像处理程序，对纤维，基体以及孔隙进行像素统计，得到纤维体积系数与孔隙系数。

1.3)对于每个切片区域，根据纤维体积系数与孔隙系数，进行带有孔隙的微观代表性体积单元(RVE)建模。其中单元的周期性与随机性由随机模型算法实现。

由于复合材料在微观尺度表现为横观各向同性，故可以看成二维进行随机性建模。不失一般性，假设其中一根纤维中心为坐标原点，即O

x

y

为保证纤维分布的随机性，使l,θ在其可行域内随机取值，即l＝rand(l

x

y

同时为保障任意两根纤维没有重合部分，还需满足：

(x

其中x

1.4)纤维与基体材料属性根据复合材料供应商标准获得。

分别对微观代表性体积单元进行六个自由度的单向加载，匀质化计算得到带有制孔损伤的等效材料属性，建立考虑层内损伤(材料损伤退化)与层间损伤(分层)的本构模型。对于三个方向弹性模量分别使用三个方向单向加载获得，三个方向剪切模量分别使用组合剪切加载获得。

为了满足周期性边界条件，对于弹性模量E

X

X

Y

Z

对于剪切模量G

X

Y

X

Y

Z

其中，X、Y、Z分别是沿X、Y、Z方向的位移分量。X

1.5)根据复合材料制孔相关文献可知，沿孔周一圈，孔壁表面粗糙度变化明显，规律鲜明。

沿着孔周0°-90°与180°-270°，孔壁光滑，表面粗糙度较小；沿着孔周90°-180°与270°-360°，孔壁粗糙，表面粗糙度较大；将制孔后的复合材料层合板沿着0°-180°与90°至270°方向进行切割，分成四块；分别对四块1/4复合材料孔壁进行摩擦系数标定实验，对制孔后连接界面接触特性(表面粗糙度)进行定量表征。

步骤102：根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型。

在实际应用中，所述步骤102具体包括：建立螺栓的三维几何模型，并根据所述材料属性建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；在装配过程中所述复合材料叠层结构的层合板之间面面接触，对孔壁区域进行十字分块，在所述螺栓与每一块所述复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，并将所述摩擦关系添加至所述接触特性；限制复合材料叠层结构及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓水平方向与垂直方向上移动的五个自由度，设置螺栓沿孔轴向位移，建立干涉插钉载荷约束，并在上述限制下，根据所述带有制孔损伤的等效材料属性建立复合材料应力-应变本构关系；根据所述复合材料应力-应变本构关系以及添加有摩擦关系的接触特性确定所述螺栓与所述复合材料孔壁区域之间的接触应力；基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据所述接触应力，采用最大应力准则和三维Hashin失效准则对所述复合材料叠层结构进行损伤分析，建立所述几何与力协同插钉连接仿真模型。

进一步的，综合考虑装配连接过程中的几何因素(包括孔位偏差、孔径偏差、孔垂直度偏差)与力因素(复合材料孔壁连接界面损伤状态、拧紧力矩)，建立复合材料结构几何与力协同插钉连接仿真模型。在本发明中，该复合材料为碳纤维复合材料。

2.1)根据ASTMD-5961中的要求，利用ABAQUS软件建立碳纤维复合材料以及螺栓的三维几何模型。由于螺栓光杆的长度大于连接结构叠层厚度，故忽略螺纹部分，将螺栓简化成“T”字形实体模型，并设置各三维几何模型的识别名称。其中复合材料层合板建模时，需要考虑实际制孔工艺带来的几何误差，包括孔位偏差、孔径偏差、孔垂直度偏差。

2.2)碳纤维复合材料采用缩减积分六面体单元C3D8R，并设置增强的沙漏控制以减少网格畸变。金属螺栓设置为刚体，便于后续干涉量的计算。

2.3)对孔壁区域进行十字分块，分成四个区域。装配中上下复合材料层合板之间使用面面接触，螺栓与每一块碳纤维复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，定义主面与从面，在接触属性中添加摩擦系数及“硬”接触，每个区域摩擦系数采用步骤1.5所标定表征的数值，完成考虑制孔后连接界面接触特性的设置。

2.4)根据真实试验条件限制碳纤维复合材料层合板及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度；设置螺栓沿孔轴向位移，建立干涉插钉载荷约束。

2.5)建立碳纤维复合材料应力-应变本构关系，考虑制孔损伤对材料属性退化的影响。碳纤维复合材料应力-应变本构关系根据步骤1.4中匀质化计算的带有制孔损伤的等效材料属性，可表达为：

式中，σ

2.6)结合三维有限元模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用最大应力准则和三维Hashin失效准则对碳纤维复合材料单元进行应力分析，材料失效判据对每一个碳纤维复合材料单元进行损伤分析，判断单元是否发生损伤，若损伤，采用相应的刚度折减模型进行当前材料刚度折减，并更新应力；若无损伤，单元刚度保持不变；建立复合材料损伤模型。

最大应力准则和三维Hashin失效准则：

(1)纤维拉伸失效(σ

(2)纤维压缩失效(σ

(3)面内基体拉伸失效(σ

(4)面内基体压缩失效(σ

(5)面外基体拉伸失效(σ

(5)面外基体压缩失效((σ

/>

式中，σ

碳纤维复合材料单元发生损伤，将激活材料损伤刚度矩阵，引入损伤变量来表征损伤过程。当材料未损伤时，损伤变量为0；发生损伤时，损伤变量将单调增加，达到1时表明材料已完全失效。与损伤变量相关的损伤刚度矩阵C

其中：

b

b

b

考虑了三个独立的损伤变量：d

d

d

d

式中，d

步骤103：根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型。

在实际应用中，当复合材料连接结构干涉插钉三维有限元模型完成分析之后，对比压钉力-位移曲线，验证几何与力协同插钉连接仿真模型的准确性；单元的应力状态与损伤分布在步骤102中计算获取，保存重启动数据。

在实际应用中，失效判据与刚度折减模型是损伤模型，与插钉连接几何模型一起组成几何与力协同插钉连接仿真模型。在几何与力协同插钉连接仿真模型中需要设置重启动数据输出，这样才能得到可以进行读取的插钉连接仿真模型结果文件，读取输出残余应力场与损伤场。

在实际应用中，所述步骤103具体包括：读取插钉连接仿真结果文件，输出插钉过程中的残余应力场与损伤场；所述插钉连接仿真结果文件为所述几何与力协同插钉连接仿真模型所得到的结果文件；根据所述插钉连接仿真结果文件，建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；基于所述设定操作，选取所述几何与力协同插钉连接仿真模型中最后一个分析步骤结果，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程；根据所述失效判据与刚度折减模型对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型。

进一步的，根据几何与力协同插钉连接仿真模型的重启动数据，在ABAQUS中导入带有几何变形场与物理损伤场的复合材料层合板搭接结构模型。在此基础上，建立复合材料连接结构几何与力协同拉伸载荷仿真模型，进行跨阶段几何场与力场的动态传递演变。

4.1)利用ABAQUS软件建立碳纤维复合材料以及螺栓的三维几何模型。其中，复合材料层合板从插钉连接仿真结果文件中导入，建立继承插钉几何变形场的三维模型，完成几何场的动态传递演变过程。因不考虑螺栓的弹塑性损伤，建立“工”字形螺栓模型，代替“T”字形螺栓模型。

4.2)金属螺栓与复合材料材料属性使用步骤102所建立的复合材料结构几何与力协同插钉连接仿真模型相同的材料属性。

4.3)在接触设置中，孔壁每个区域摩擦系数仍采用步骤1.5所标定表征的数值，建立螺栓与继承等效应力与损伤的复合材料孔壁单元之间的摩擦属性；复合材料孔壁单元为仿真模型中与上述孔壁区域所对应的模型孔壁与螺栓的接触单元。

4.4)在载荷边界设置中，建立上下层合板的运动耦合参考点，并限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位移。并施加螺栓预紧力；为了避免螺栓截面属性发生冲突，在网格设置中将螺栓截面属性设置为默认。

4.5)读取插钉连接仿真结果文件，将上下层合板设置预定义场，选取插钉仿真模型的最后一个分析步结果，导入插钉过程所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程。

4.6)结合所述几何与力协同插钉连接仿真模型中的失效判据与刚度折减模型，对上述的复合材料干涉连接结构拉伸模型进行应力分析，判断每一个复合材料单元是否发生损伤或进行刚度折减，建立损伤模型。

步骤104：根据所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型对所述复合材料叠层结构拉伸过程进行应力分析，预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度。

在实际应用中，当复合材料连接结构几何与力协同拉伸载荷仿真模型完成分析之后，对比载荷-位移曲线，分析装配损伤状态，验证几何与力协同拉伸载荷仿真模型的准确性。

本发明降低了试验方法的材料成本与准备周期，为优化工艺设计提供依据，推动复合材料先进连接技术的发展。

实施例二

本实施例以T300/TED-85碳纤维复合材料(铺层顺序为[0/45/-45/90]3s)及Ti6Al4V螺栓材料为例，图2为本发明实施例二所提供的考虑几何与力协同的复合材料连接结构装配损伤分析方法流程图，如图2所示，包括以下步骤：

步骤一、对制孔后复合材料的材料属性进行标定，通过多尺度表征的方法，匀质化计算出带有制孔损伤的材料属性，建立考虑层内损伤(材料损伤退化)与层间损伤(分层)的本构模型。此外，通过摩擦系数测量实验，对制孔后连接界面接触特性(表面粗糙度)进行定量表征。

1.1)根据复合材料叠层制孔实验的要求，设计长135mm，宽36mm的试样叠加成叠层结构，搭接部分为边长36mm的正方形区域。使用麻花钻进行制孔实验，得到带有5.93mm孔的T700复合材料叠层结构。

1.2)根据HB 7825-2007要求，使用RSflite复合材料超声波无损检测仪对制孔后的孔周区域进行探伤，确定损伤区域范围大致为孔周3mm。

1.3)将孔周损伤范围内的复合材料层合板等分为三部分，每部分跨度1mm，沿着垂直于纤维法向进行区域中心切割，如图3所示。使用SEM电镜扫描检测，获得每个区域的微观真实图像。然后根据显微图像，对每个区域纤维体积系数θ

表1

1.4)对每个区域，根据纤维体积系数θ

1.5)本实例中使用的T700复合材料的纤维与基体属性如表2所示，对微观RVE模型赋予材料属性。根据内容步骤1.4，对单元分别进行六个方向周期性边界条件加载，如图4所示，其中，E

表2

1.6)完成ABAQUS有限元周期性加载计算后，编写Python脚本读取odb结果文件中参考点的位移与节点力，导出周期性加载后的位移变形量与支反力，根据匀质化材料属性计算公式：

对结果进行等效材料属性匀质化计算，建立考虑制孔损伤，材料损伤退化的等效本构模型。表3为孔周三个区域匀质化等效材料参数表，每个区域的等效材料参数如表3所示。

表3

1.7)根据复合材料制孔相关文献可知，沿孔周一圈，孔壁表面粗糙度变化明显，规律鲜明。沿着孔周0°-90°与180°-270°，孔壁光滑，表面粗糙度较小；沿着孔周90°-180°与270°-360°，孔壁粗糙，表面粗糙度较大。将制孔后的复合材料层合板沿着0°-180°与90°至270°方向进行切割，分成四块。分别对四块1/4复合材料孔壁进行摩擦系数标定实验，对制孔后连接界面接触特性(表面粗糙度)进行定量表征。表4实验测得孔壁摩擦系数表，孔壁区域的摩擦系数如表4所示。

表4

步骤二、综合考虑装配连接过程中的几何因素(包括孔位偏差、孔径偏差、孔垂直度偏差)与力因素(复合材料孔壁连接界面损伤状态、拧紧力矩)，建立复合材料结构几何与力协同插钉连接仿真模型。

2.1)ASTM D-5961中所要求的结构及尺寸如图5所示，其中，图5(a)所示的垫板(BASEPLATE)尺寸为：长宽均为36，内孔径Φ为8；图5(b)所示的螺栓(BOLT)尺寸为：水平方向上的长为10，宽为4，垂直方向上的直径Φ为6；图5(c)中所示的复合材料层合板尺寸为：长为135，宽为36，内孔中心到复合材料层合板的宽边的长度为18，内孔中心到复合材料层合板的长边的长度为18，内孔径Φ为5.93，复合材料层合板分别命名为PLATE1&PLATE2，金属螺栓为BOLT，垫板为BASEPLATE。利用ABAQUS软件建立碳纤维复合材料层合板及螺栓的三维几何模型。由于螺栓光杆的长度大于连接结构叠层厚度，故忽略螺纹部分，将螺栓简化成“T”字模型，其材料参数如表5所示。复合材料层合板建模时，需要考虑实际制孔工艺带来的几何误差，包括孔位偏差、孔径偏差、孔垂直度偏差，如图6所示。为了验证模型的代表性，本实例模型中复合材料上板为标准尺寸孔，复合材料下板考虑孔位偏差0.1mm，孔径偏差0.1mm，孔垂直偏差0.5°，表5为Ti6Al4V螺栓材料参数表，如表5所示。

表5

其中，E为螺栓的弹性模量，V为泊松比。

2.2)碳纤维复合材料采用缩减积分六面体单元C3D8R，并设置增强的沙漏控制以减少网格畸变。金属螺栓设置为刚体，便于后续干涉量的计算。

2.3)对孔壁区域进行十字分块，分成四个区域。装配中上下复合材料层合板之间使用面面接触，螺栓与每一块碳纤维复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，定义主面与从面，在接触属性中添加摩擦系数及“硬”接触，每个区域摩擦系数采用表4所标定表征的数值，完成考虑制孔后连接界面接触特性的设置。

2.4)根据真实试验条件限制碳纤维复合材料及底座三个平移方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓除z方向移动的五个自由度，在载荷模块中建立干涉插钉位移为8.5mm。

2.5)碳纤维复合材料应力-应变本构关系根据步骤1.6中匀质化计算结果，将孔周区域每间隔1mm分成三个区域，每个区域对应赋予表3的材料参数，每个区域的本构可表达为：

式中，σ

由此完成复合材料结构几何与力协同插钉连接仿真几何模型，如图6所示。

2.6)结合三维有限元模型，根据螺栓与复合材料孔壁之间的接触应力，采用相应的材料失效判据对每一个胶层、碳纤维复合材料单元进行损伤分析，判断单元是否发生损伤，建立复合材料损伤模型。

除匀质化计算材料属性外，表6为T700复合材料强度参数表，T700碳纤维复合材料强度参数如表6所示。

表6

其中，XT为纤维拉伸强度，XC为纤维压缩强度，YT为面内基体拉伸强度，YC为面内基体压缩强度，ZT为面外基体拉伸强度，ZC为面外基体压缩强度，S12、S13、S23为剪切强度，单位为MPa。

材料损伤准则采用内容步骤2.7中的最大应力准则和三维Hashin失效准则，退化准则为渐进损伤准则。

步骤三、当复合材料连接结构干涉插钉三维有限元模型停止分析之后，将压钉力-位移曲线进行对比，如图7所示，验证模型的准确性；复合材料层合板单元的应力状态与损伤分布在步骤二中计算获取，进行重启动设置，保存重启动数据。

步骤四、根据干涉插钉模型的重启动数据，在ABAQUS中导入带有几何变形场与物理损伤场的复合材料层合板搭接结构模型。在此基础上，建立复合材料连接结构几何与力协同拉伸载荷仿真模型，进行跨阶段几何场与力场的动态传递演变。

4.1)利用ABAQUS软件建立碳纤维复合材料以及螺栓的三维几何模型。其中，复合材料层合板变形模型从插钉连接仿真结果文件中导入，建立继承插钉几何变形场的三维模型，完成几何场的动态传递演变过程。因不考虑螺栓的弹塑性损伤，建立“工”字形螺栓模型，代替“T”字形螺栓模型，构建复合材料连接结构拉伸载荷模型，如图8所示。

4.2)金属螺栓与复合材料材料属性使用步骤二所建立的复合材料结构几何与力协同插钉连接仿真模型相同的材料属性。

4.3)在接触模块中，孔壁每个区域摩擦系数仍采用步骤1.7所标定表征的数值，建立螺栓与继承等效应力与损伤的复合材料孔壁单元之间的摩擦属性。

4.4)在载荷及边界模块中，建立上下层合板的运动耦合参考点，并限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位移5mm。并施加螺栓预紧力；为了避免螺栓截面属性发生冲突，在网格模块中将螺栓截面属性设置为默认。

4.5)读取插钉连接仿真结果文件，将上下层合板设置预定义场，选取插钉仿真模型的最后一个分析步结果，导入插钉过程所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程。

4.6)结合步骤三中的失效判据与刚度折减模型，对上述的复合材料干涉连接结构拉伸模型进行应力分析，判断每一个复合材料单元是否发生损伤或进行刚度折减，建立损伤模型。

步骤五、模型停止分析后，此时的拉伸载荷则为复合材料干涉连接结构的拉伸强度，输出拉伸载荷-位移曲线，如图9所示，表7为拉伸试验与预测结果对比表，预测效果如表7所示，完成对考虑几何与力协同的复合材料连接结构强度预测。

表7

实施例三

为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真系统。

一种考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真系统，包括：

材料属性与接触特性确定模块，用于标定制孔后的复合材料叠层结构的材料属性，并定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性；所述材料属性包括孔位偏差、孔径偏差以及孔垂直度偏差；所述接触特性包括损伤状态以及拧紧力矩。

在实际应用中，所述材料属性与接触特性确定模块，具体包括：损伤范围标定单元，用于标定所述制孔后的复合材料叠层结构的孔周区域的损伤范围；纤维体积系数以及孔隙系数标定单元，用于将所述损伤范围内的复合材料叠层结构沿着垂直于纤维法向进行区域等距离切片，并标定每个切片区域的纤维体积系数以及孔隙系数；带有孔隙的微观代表性体积单元建立单元，用于根据所述纤维体积系数以及孔隙系数建立带有孔隙的微观代表性体积单元；考虑层内损伤与层间损伤的本构模型建立单元，用于对所述带有孔隙的微观代表性体积单元进行六个自由度的单向加载，均质化计算带有制孔损伤的等效材料属性，建立考虑层内损伤与层间损伤的本构模型；材料属性确定单元，用于根据所述本构模型确定所述制孔后的复合材料叠层结构的材料属性；接触特性确定单元，用于将所述制孔后的复合材料叠层结构等分成4块，对每个等分后的复合材料叠层结构进行摩擦系数标定实验，定量表征所述制孔后的复合材料叠层结构孔壁连接界面的接触特性。

几何与力协同插钉连接仿真模型建立模块，用于根据所述材料属性以及所述接触特性建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同插钉连接仿真模型。

在实际应用中，所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立模块，具体包括：三维几何模型建立单元，用于建立螺栓的三维几何模型，并根据所述材料属性建立所述复合材料叠层结构的三维几何模型；摩擦关系建立单元，用于在装配过程中所述复合材料叠层结构的层合板之间面面接触，对孔壁区域进行十字分块，在所述螺栓与每一块所述复合材料孔壁区域之间建立摩擦关系，并将所述摩擦关系添加至所述接触特性；复合材料应力-应变本构关系建立单元，用于限制复合材料叠层结构及底座三个移动方向的自由度和三个旋转方向的自由度，限制螺栓水平方向与垂直方向上移动的五个自由度，设置螺栓沿孔轴向位移，建立干涉插钉载荷约束，并在上述限制下，根据所述带有制孔损伤的等效材料属性建立复合材料应力-应变本构关系；接触应力确定单元，用于根据所述复合材料应力-应变本构关系以及添加有摩擦关系的接触特性确定所述螺栓与所述复合材料孔壁区域之间的接触应力；几何与力协同插钉连接仿真模型建立单元，用于基于所述螺栓的三维几何模型以及所述复合材料叠层结构的三维几何模型，根据所述接触应力，采用最大应力准则和三维Hashin失效准则对所述复合材料叠层结构进行损伤分析，建立所述几何与力协同插钉连接仿真模型。

几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立模块，用于根据所述几何与力协同插钉连接仿真模型建立所述复合材料叠层结构的几何与力协同拉伸载荷仿真模型。

在实际应用中，所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立模块，具体包括：插钉连接仿真结果文件读取单元，用于读取插钉连接仿真结果文件；所述插钉连接仿真结果文件为所述几何与力协同插钉连接仿真模型所得到的结果文件；设定操作完成单元，用于根据所述插钉连接仿真结果文件，建立所述复合材料叠层结构中的上下层合板的运动耦合参考点，限制上下层合板的自由度，在上层合板添加静态拉伸位置，并施加螺栓预紧力，将所述复合材料叠层结构中的上下层合板设置预定义场，完成设定操作；继承插钉力场的拉伸三维模型建立单元，用于基于所述设定操作，选取所述几何与力协同插钉连接仿真模型中最后一个分析步骤结果，导入插钉过程中所带来的应力状态与损伤分布，建立继承插钉力场的拉伸三维模型，完成力场的动态传递演变过程；几何与力协同拉伸载荷仿真模型建立单元，用于根据所述失效判据与刚度折减模型对所述拉伸三维模型进行应力分析，建立所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型。

损伤状态与拉伸强度确定模块，用于根据所述几何与力协同拉伸载荷仿真模型对所述复合材料叠层结构拉伸过程进行应力分析，预测装配过程中的损伤状态与拉伸强度。

实施例四

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行实施例一所述的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法。

一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例一所述的考虑误差与外载的复材叠层结构装配损伤仿真方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。