一種複雜載荷條件下的結構層級式有限元仿真分析方法與流程

2023-05-26 18:15:36

本發明涉及運載器、飛行器強度設計領域，具體涉及艙體主結構強度的數值分析方法。

背景技術：

當前的航天發展形勢給仿真行業提出了空前的挑戰。一方面，輕量化設計使得結構設計裕度不斷降低，這給仿真預試的準確性提出了嚴格的要求。另一方面，密集發射、密集設計又使得工作效率需要不斷提升，落實在仿真行業即為不斷地提升仿真建模和分析效率。對於複雜載荷、複雜布局的艙體結構，仿真方法準確性和計算效率的矛盾更為突出，因此必須研究一種可以兼顧準確性和計算效率的有限元分析方法。

傳統的有限元分析常採用多模型計算解決以上矛盾。建立整體模型用於分析結構整體穩定性和主傳力部件的強度失效問題。建立局部模型用於分析局部區域在承受複雜載荷下可能發生的失效問題。這種分析思想隱藏了三個隱患。首先，整體模型的簡化有可能忽略結構傳力路徑上的失效行為。例如，部件之間的連接若採用剛性約束代替，則無法分析出連接失效形式。其次，局部模型往往與整體模型割裂。局部模型的分析區域往往由設計師憑藉工程經驗確定，可能與整體模型的危險區域並不一致。而且，局部模型的邊界常為固支或簡支邊界，與整體模型並無關係。這種割裂使得局部模型分析的覆蓋度和精度有一定程度的降低。

本發明公開了一種複雜載荷條件下的結構層級式有限元仿真分析方法，該方法能夠準確、有效地計算複雜艙體的失效位置與承載能力，可以廣泛應用於航天運載器、飛行器的艙體結構設計。

技術實現要素：

本發明提供一種複雜載荷條件下的結構層級式有限元仿真分析方法，吸取了傳統有限元的多模型分析思想，但通過識別破壞行為、引入多模型之間的邊界關係，建立多模型之間的聯繫，避免傳統多模型分析覆蓋性和精度降低的隱患。這種分析方法的計算效率和計算精度已得到多次的靜力試驗驗證。

本發明通過以下技術方案實現：

一種複雜載荷條件下的結構層級式有限元仿真分析方法，包括以下步驟：

s1：建立艙體主結構全尺寸有限元模型作為1級母模型；

s2：針對主結構失效方式進行有限元計算，計算載荷為設計載荷，計算方法涵蓋結構穩定性分析和靜力強度分析；

s3：進行主結構穩定性分析後處理，分析失穩載荷低於1.5倍設計載荷的局部失穩位置，進行危險性評估後選定細化分析區域；

s4：進行主結構靜力強度分析後處理，分析強度剩餘係數低於1.3的應力危險區域，進行危險性評估後選定細化分析區域；

s5：以s3、s4中的細化分析區域建立有限元1級子模型，視模型進行單元簡化；

s6：建立子模型與母模型的有限元過渡模型，該模型可以真實地傳遞母模型內部邊界區域的位移場和應力場；

s7：將含有過渡模型的子模型提交有限元計算；

s8：如果1級子模型仍不能詳細反映結構破壞方式，可以1級子模型作為2級母模型，重複s1～s6步驟，直至模型足夠精細。

較佳的，步驟s1中蒙皮、桁條、框、加強件均簡化為板單元，鉚釘或螺栓簡化為梁單元。梁單元與板單元之間採用共節點或局部多點約束連接。

較佳的，步驟s5中，蒙皮仍簡化為板單元，桁條、框、加強件簡化為體單元或板單元，鉚釘或螺栓簡化為體單元或梁單元。各部件之間採用最為真實的連接模擬方式。

較佳的，步驟s5中的連接模擬方式為三維有限元模型的接觸關係，包括法向與切向的接觸關係。

較佳的，步驟s6中的連接模型細化為：單純的子模型，其外部邊界的場變量由母模型內部邊界提供；子模型、母模型混合模型，子模型外部邊界與母模型內部邊界通過共節點、多點約束、殼與實體耦合約束等方式連接。

附圖說明

圖1為本發明一艙體結構示意圖；

圖2為本發明一艙體結構有限元分析1級母模型示意圖；

圖3為本發明一艙體結構有限元分析1級子模型示意圖；

圖4為本發明一艙體結構有限元分析1級子模型失效機製圖；

圖5為本發明提供一種複雜載荷條件下的結構層級式有限元仿真分析方法流程圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

如圖1所示，為本發明實施例的一個艙體主結構示意圖，結構在接頭處承受集中載荷。

本發明提供的複雜載荷條件下的結構層級式有限元仿真分析方法，較為詳細的，包括以下步驟：

步驟1：建立艙體結構全尺寸有限元模型作為母模型。如圖2右側，蒙皮簡化為弱剛性板單元，桁條、框、接頭簡化為板單元；如圖2左側，鉚釘或螺栓簡化為梁單元。梁單元與板單元之間採用共節點約束；

步驟2：針對艙體結構全尺寸模型進行有限元計算，選用軟體為abaqus，選用計算步為static,general/static,riks，前者用於計算結構強度，後者用於計算結構穩定性，設計載荷為3000kn；

步驟3：根據穩定性分析結果，失穩載荷超過1.5倍設計載荷。根據強度分析結果，應力危險區域在接頭附近，表現為接頭和接頭下方的連接件破壞。綜合分析結果，選取接頭附近作為細化分析區域，如圖3所示；

步驟4：將母模型的接頭附近區域刪除，替換為子模型，即接頭、框、桁、力擴散板、螺栓、鉚釘均簡化為體單元，蒙皮簡化為板單元。各體單元之間均採用接觸連接，蒙皮與其他部件之間採用剛性約束連接；

步驟5：將子模型、母模型之間的邊界均用剛性約束連接，如圖3所示；

步驟6：將新的修正模型提交靜力有限元計算，仍選用static,general計算步，接頭處仍施加3000kn設計載荷；

步驟7：將修正模型進行有限元後處理，可以辨認出接頭、連接件各剖面的應力雲圖，如圖4所示。

該方法通過母模型分析精確識別穩定性破壞模式和主結構強度破壞模式，並大致判斷出連接件的破壞模式，進一步通過子模型精確識別部件和連接件的破壞行為。通過子模型、母模型的邊界耦合，使得分析規模大幅度降低，並保證了子模型的邊界準確性。

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。