针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法及设备

技术领域

本发明实施例涉及壁板结构强度技术领域，尤其涉及一种针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法及设备。

背景技术

未来民用飞机的发展趋势为绿色、高效、快捷，相比于传统民用飞机，未来民用飞机对减重、减排的要求更为严苛，因此选用更轻的飞机结构材料和更合理的结构连接形式实现飞机的轻量化显得尤为重要。双侧激光同步焊接技术代替传统铆接工艺已成为大势所趋，但是该激光焊接技术在相关领域还处于技术空白状态，特别是针对激光同步焊接壁板结构的压缩屈曲性能测试更是基本为零。因此，开发一种针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法及设备，可以有效填补上述相关技术中的技术空白，就成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，包括：根据激光焊接壁板的结构尺寸，构建激光焊接壁板结构的第一壳-实体模型；在第一壳-实体模型上划分壁板的焊缝实体单元网格、蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格，将材料的弹性参数和塑性参数施加到相应的单元网格中，得到第二壳-实体模型；对第二壳-实体模型设定位移边界条件和载荷施加方式，设置屈曲类型分析步骤，求解特征值屈曲方程，计算特征值和临界屈曲载荷，得到压缩屈曲模态；复制第二壳-实体模型，将压缩屈曲模态、缺陷尺寸和残余应力输入第二壳-实体模型，设置RIKS分析步骤和历史输出变量，求解非线性屈曲方程，得到壁板结构压缩屈曲过程中的反作用力、应变和位移数据信息。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述在第一壳-实体模型上划分壁板的焊缝实体单元网格、蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格，包括：所述实体单元网格的划分采用八节点、六面体实体单元，所述蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格的划分采用四节点、四边形壳单元；其中，蒙皮、长桁、框架和角片为薄壳面，长桁的腹板位于焊缝横截面的中心线上。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的弹性参数，包括：材料的弹性模量和泊松比。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的塑性参数，包括：

其中，

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的塑性参数，还包括：

其中，

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的塑性参数，还包括：

其中，

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述残余应力，包括：

其中，

第二方面，本发明的实施例提供了一种针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，包括：第一主模块，用于根据激光焊接壁板的结构尺寸，构建激光焊接壁板结构的第一壳-实体模型；第二主模块，用于在第一壳-实体模型上划分壁板的焊缝实体单元网格、蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格，将材料的弹性参数和塑性参数施加到相应的单元网格中，得到第二壳-实体模型；第三主模块，用于对第二壳-实体模型设定位移边界条件和载荷施加方式，设置屈曲类型分析步骤，求解特征值屈曲方程，计算特征值和临界屈曲载荷，得到压缩屈曲模态；第四主模块，用于复制第二壳-实体模型，将压缩屈曲模态、缺陷尺寸和残余应力输入第二壳-实体模型，设置RIKS分析步骤和历史输出变量，求解非线性屈曲方程，得到壁板结构压缩屈曲过程中的反作用力、应变和位移数据信息。

第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法。

第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法。

本发明实施例提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法及设备，通过构建激光焊接壁板结构的第一壳-实体模型并加载单元网格和参数得到第二壳实体模，根据第二壳-实体模型得到压缩屈曲模态，复制第二壳-实体模型，求解非线性屈曲方程，得到壁板结构压缩屈曲过程中的反作用力、应变和位移数据信息，可以实现不同结构尺寸的壁板结构在不同激光焊接状态下的快速建模，通过提取的壁板结构的载荷-位移曲线获得失效载荷，且可获得壁板结构面内应变信息和面外位移信息，实现对激光焊接壁板结构压缩失效载荷、应变和位移作定量研究。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法流程图；

图2为本发明实施例提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的激光焊接壁板结构的几何模型示意图；

图5为本发明实施例提供的激光焊接壁板结构尺寸及应变片测试位置示意图；

图6为本发明实施例提供的激光焊接壁板结构的网格模型示意图；

图7为本发明实施例提供的激光焊接壁板结构压缩试验和有限元模型的载荷及位移曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的激光焊接壁板结构位于蒙皮位置的压缩试验和有限元模型的应变对比效果图；

图9为本发明实施例提供的激光焊接壁板结构在达到失效载荷时试验和有限元模型的面外位移效果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，参见图1，该方法包括：根据激光焊接壁板的结构尺寸，构建激光焊接壁板结构的第一壳-实体模型；在第一壳-实体模型上划分壁板的焊缝实体单元网格、蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格，将材料的弹性参数和塑性参数施加到相应的单元网格中，得到第二壳-实体模型；对第二壳-实体模型设定位移边界条件和载荷施加方式，设置屈曲类型分析步骤，求解特征值屈曲方程，计算特征值和临界屈曲载荷，得到压缩屈曲模态；复制第二壳-实体模型，将压缩屈曲模态、缺陷尺寸和残余应力输入第二壳-实体模型，设置RIKS分析步骤和历史输出变量，求解非线性屈曲方程，得到壁板结构压缩屈曲过程中的反作用力、应变和位移数据信息。

具体地，边界条件为位置约束条件，具体通过约束X、Y、Z轴方向的自由度来模拟实际装夹条件。载荷加载方式采用壳的边载荷或位移控制来实现。缺陷尺寸通过激光焊接壁板结构的变形测量获得，并通过有限元软件的关键词语句*imperfection输入到模型中。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述在第一壳-实体模型上划分壁板的焊缝实体单元网格、蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格，包括：所述实体单元网格的划分采用八节点、六面体实体单元，所述蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格的划分采用四节点、四边形壳单元；其中，蒙皮、长桁、框架和角片为薄壳面，长桁的腹板位于焊缝横截面的中心线上。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的弹性参数，包括：材料的弹性模量和泊松比。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的塑性参数，包括：

其中，

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的塑性参数，还包括：

其中，

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述材料的塑性参数，还包括：

其中，

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，所述残余应力，包括：

其中，

本发明实施例提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法，通过构建激光焊接壁板结构的第一壳-实体模型并加载单元网格和参数得到第二壳实体模，根据第二壳-实体模型得到压缩屈曲模态，复制第二壳-实体模型，求解非线性屈曲方程，得到壁板结构压缩屈曲过程中的反作用力、应变和位移数据信息，可以实现不同结构尺寸的壁板结构在不同激光焊接状态下的快速建模，通过提取的壁板结构的载荷-位移曲线获得失效载荷，且可获得壁板结构面内应变信息和面外位移信息，实现对激光焊接壁板结构压缩失效载荷、应变和位移作定量研究。

本发明实施例提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法的具体流程如下：参照图4所示压缩过程原理图，采用2mm厚的蒙皮和长桁、1.27mm厚的框架和角片组成的壁板结构的壳-实体耦合单元模型的压缩屈曲仿真实例，将有限元计算结果与试验测试结果对比分析，详细阐述本发明的完整流程（载荷/位移如图4中箭头方向所示），图4中包括壁板端面A，自由端B,夹持端C,自由端D。按照图5所示激光焊接壁板结构的尺寸建立相应的壳-实体几何模型，几何模型如图4所示。在此几何模型基础上，建立激光焊接壁板结构的壳-实体耦合单元网格模型，网格模型如图6所示，其中，焊缝8为三维实体单元网格，其余部件为二维壳单元网格（如长桁7和蒙皮6）。在此网格模型基础上，建立激光焊接壁板结构的壳-实体耦合单元有限元模型，将材料的弹塑性参数分别输入到模型中，将位置约束条件和载荷加载方式分别输入到模型中，建立有限元模型的特征值屈曲求解的分析步并求解特征值和临界屈曲载荷。

然后，选取合适的屈曲模态及相对应的特征值作为非线性屈曲求解的初始条件，同时将缺陷尺寸和残余应力作为初始条件代入到模型中，将略大于临界屈曲载荷的载荷值作为载荷加载方式代入到模型中，建立有限元模型的非线性屈曲求解的分析步并求解壁板结构的反作用力、应变和位移，应变数据的位置如图5所示靠近长桁E、长桁F、长桁G、长桁H附近的蒙皮位置E1至E3、蒙皮位置F1至F3、蒙皮位置G1至G3、蒙皮位置H1至H3和在两个框架之间与两个相邻长桁之间的蒙皮的前部与背部等距分布位置X1至X3、蒙皮的前部与背部等距分布位置X1'至X3'、蒙皮的前部与背部等距分布位置Y1至Y3、蒙皮的前部与背部等距分布位置Y1'至Y3'、蒙皮的前部与背部等距分布位置Z1至Z3、蒙皮的前部与背部等距分布位置Z1'至Z3'。激光焊接壁板结构中还包括角片1、框架2、长桁3、蒙皮4、内充环氧树脂的框架5。

最后，提取壁板结构的反作用力、位移和应变数据信息，并与试验获得的数据结果进行对比分析。具体地，对比试验结果和有限元模拟结果的载荷、面内应变和面外位移数据。图7是试验和有限元模型（即模拟）的压缩载荷和位移曲线的对比结果，试验和有限元模型的初始屈曲载荷分别是94.50kN和107.90kN，两者的误差为14%，试验和有限元模型的失效载荷分别是227.50kN和234.35kN，两者的误差为3%，其中试验结果存在载荷的突变点，此处由于连接框架和角片的铆钉发生断裂造成的，而有限元模型未考虑铆钉的断裂行为。图8是激光焊接壁板结构位于蒙皮的前部与背部等距分布位置Y1至Y3(蒙皮的前部与背部等距分布位置Y1'至Y3')和蒙皮位置E1至E3的压缩试验和有限元模型的应变对比结果，试验和有限元模型的应变均在达到初始屈曲载荷时发生应变分叉现象，在达到失效载荷时长桁E附近的蒙皮位置E3存在垂直于长桁方向的最大拉应变。具体地，图8中左上角曲线图为蒙皮位置Y1至Y3(Y1'至Y3')试验获得的应变，右上角曲线图为蒙皮位置Y1至Y3(Y1'至Y3')有限元模型获得的应变，左下角曲线图为蒙皮位置E1至E3的试验获得的应变，右下角曲线图为蒙皮位置E1至E3的有限元模型获得的应变。图9是激光焊接壁板结构在达到失效载荷时试验和有限元模型的面外位移对比结果，相邻长桁之间的蒙皮上的凹凸图形数目相同，所有长桁中长桁E的翼缘沿Y轴负方向存在最大的面外变形。由以上载荷、应变和位移数据可知，试验结果验证了壳-实体耦合单元的激光焊接壁板结构压缩屈曲有限元模型的准确性和有效性。具体地，图9中左半部为试验通过条纹投影轮廓术手段获得的面外位移数据，右半部为有限元模型获得的面外位移数据。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，该装置用于执行上述方法实施例中的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试方法。参见图2，该装置包括：第一主模块，用于根据激光焊接壁板的结构尺寸，构建激光焊接壁板结构的第一壳-实体模型；第二主模块，用于在第一壳-实体模型上划分壁板的焊缝实体单元网格、蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格，将材料的弹性参数和塑性参数施加到相应的单元网格中，得到第二壳-实体模型；第三主模块，用于对第二壳-实体模型设定位移边界条件和载荷施加方式，设置屈曲类型分析步骤，求解特征值屈曲方程，计算特征值和临界屈曲载荷，得到压缩屈曲模态；第四主模块，用于复制第二壳-实体模型，将压缩屈曲模态、缺陷尺寸和残余应力输入第二壳-实体模型，设置RIKS分析步骤和历史输出变量，求解非线性屈曲方程，得到壁板结构压缩屈曲过程中的反作用力、应变和位移数据信息。

本发明实施例提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，采用图2中的若干模块，通过构建激光焊接壁板结构的第一壳-实体模型并加载单元网格和参数得到第二壳实体模，根据第二壳-实体模型得到压缩屈曲模态，复制第二壳-实体模型，求解非线性屈曲方程，得到壁板结构压缩屈曲过程中的反作用力、应变和位移数据信息，可以实现不同结构尺寸的壁板结构在不同激光焊接状态下的快速建模，通过提取的壁板结构的载荷-位移曲线获得失效载荷，且可获得壁板结构面内应变信息和面外位移信息，实现对激光焊接壁板结构压缩失效载荷、应变和位移作定量研究。

需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，还包括：第一子模块，用于实现所述在第一壳-实体模型上划分壁板的焊缝实体单元网格、蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格，包括：所述实体单元网格的划分采用八节点、六面体实体单元，所述蒙皮壳单元网格、长桁壳单元网格、框架壳单元网格和角片壳单元网格的划分采用四节点、四边形壳单元；其中，蒙皮、长桁、框架和角片为薄壳面，长桁的腹板位于焊缝横截面的中心线上。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，还包括：第二子模块，用于实现所述材料的弹性参数，包括：材料的弹性模量和泊松比。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，还包括：第三子模块，用于实现所述材料的塑性参数，包括：

其中，

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，还包括：第四子模块，用于实现所述材料的塑性参数，还包括：

其中，

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，还包括：第五子模块，用于实现所述材料的塑性参数，还包括：

其中，

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的针对激光焊接壁板结构的压缩屈曲测试装置，还包括：第六子模块，用于实现所述残余应力，包括：

其中，

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。

此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。