復(fù)合材料加筋壁板機械連接修理設(shè)計與分析工具

張星明 ， 藍(lán)元沛 ， 徐吉峰

（民用飛機結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點實驗室，中國商飛北京民用飛機技術(shù)研究中心，北京 102211）

0 引言

復(fù)合材料在新一代民用飛機上的用量已超過50%[1]，一旦復(fù)合材料結(jié)構(gòu)遭受損傷，需根據(jù)損傷的嚴(yán)重程度確定修理方案并對其進(jìn)行修理，以保證飛機的使用安全。為確定修理參數(shù)，要對受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行修理分析設(shè)計，并對修理后的結(jié)構(gòu)恢復(fù)或滿足承載能力要求進(jìn)行評估，確保修理后的結(jié)構(gòu)能恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，并避免對傳力路徑、氣動力光滑性和質(zhì)量等產(chǎn)生較大影響[2]。

復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)分析通常采用有限元方法。近年來，研究人員針對兩類主要修理方法（膠接修理和機械連接修理）開展了大量模擬分析和試驗驗證。關(guān)志東等[3-9]諸多研究者分別針對復(fù)合材料層合板挖補修理、貼補修理、機械連接修理后拉伸、壓縮、剪切性能開展了有限元分析和試驗驗證，研究了各類修理參數(shù)對修理結(jié)構(gòu)性能的影響。在復(fù)合材料加筋壁板修理研究方面，趙闖等[10-11]研究了某機型后機身前段裝配口區(qū)域加筋壁板修理結(jié)構(gòu)的拉伸和壓縮性能，陳向明等[12-13]研究了復(fù)合材料機翼下蒙皮壁板遭受離散源損傷后的修理方案設(shè)計、漸進(jìn)損傷分析模型與試驗驗證技術(shù)。

由于復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建模過程繁瑣，手工重復(fù)建模工作量大、準(zhǔn)確性低，郭霞等[14]基于ABAQUS軟件開發(fā)了針對層壓板貼補修理結(jié)構(gòu)的快速建模及后處理程序，但目前尚未見關(guān)于復(fù)合材料加筋壁板機械連接修理設(shè)計與分析工具的公開報道。本研究提出一種基于漸進(jìn)損傷有限元分析方法的修理結(jié)構(gòu)分析工具，實現(xiàn)對“工”字型長桁復(fù)合材料加筋壁板修理結(jié)構(gòu)的快速建模、計算與分析，以降低復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)設(shè)計分析成本，縮短研究周期。

1 分析工具開發(fā)過程

1.1 開發(fā)流程簡介

復(fù)合材料加筋壁板機械連接修理設(shè)計與分析工具可以快速建立結(jié)構(gòu)修理模型并分析其強度性能，實現(xiàn)對不同修理參數(shù)的快速變更。該工具主要由參數(shù)輸入界面、快速建模模塊和后處理模塊等部分組成，其開發(fā)流程如圖1所示。

圖 1 參數(shù)化建模與分析工具開發(fā)流程圖Fig.1 Flow chart for the parametric modeling and analysis tool development

該分析工具的參數(shù)輸入界面使用Microsoft Visual Studio 2010平臺的C#語言進(jìn)行開發(fā)，通過建立一個以Windows 窗體形式出現(xiàn)的用戶界面，將用戶輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)化為*.txt 格式的文本文檔進(jìn)行存儲；快速建模模塊和后處理模塊，主要基于 ABAQUS 中的 PDE（Python Development Environment，即Python開發(fā)環(huán)境），通過帶修理參數(shù)的Python 文件（*.py文件）的開發(fā)，將*.txt文檔中的修理參數(shù)寫入*.py文件，進(jìn)而在ABAQUS 軟件中運行*.py文件實現(xiàn)快速建模、計算與后處理。

1.2 參數(shù)輸入界面

修理工具主操作界面即參數(shù)輸入界面如圖2所示。開發(fā)參數(shù)輸入界面時，在啟動Visual Studio 2010，選擇“Visual C#”|“Windows”后，根據(jù)需要輸入的參數(shù)要求，分別在窗體上布置“Button”控件、“Masked Text Box”控件以及“Label”控件（圖 2）。控件的主要布置方案為：窗體上部輸入模型名稱、保存路徑、材料屬性、分析步—質(zhì)量比例系數(shù)、最大應(yīng)變等信息，窗體下部分別輸入單面機械連接修理和雙面機械連接修理的相關(guān)修理參數(shù)，主要有蒙皮、筋條、補片和緊固件的幾何尺寸、鋪層、布局方案、位移載荷等信息，右側(cè)的控制面板是提供建模和分析處理的按鈕，其中區(qū)分了最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、Hashin準(zhǔn)則等不同失效準(zhǔn)則。為了輸入復(fù)合材料和板筋間膠層的破壞強度值，特別設(shè)置母板、補片和膠層的材料破壞強度輸入的子窗口“Form2.cs”，該子窗體的布置如圖3所示。為了根據(jù)不同的加筋壁板尺寸以及修理參數(shù)來布置種子并劃分網(wǎng)格，特別設(shè)置種子布置方案輸入的子窗口“Form3.cs”，該子窗體的布置如圖4所示。

1.3 快速建模模塊

快速建模模塊直接從記錄ABAQUS/CAE 命令文件*.rpy中提取每一步操作所對應(yīng)的Python函數(shù)，將函數(shù)中隨模型變化的點、線、面以及體的編號采用函數(shù)findAt ()更改為對應(yīng)坐標(biāo)，然后將需要變更的坐標(biāo)值用變量代替，在Python程序中編寫調(diào)用數(shù)據(jù)的程序語言，賦值給變量，使模型的所有相關(guān)數(shù)據(jù)都隨著輸入?yún)?shù)的變化而變化?？焖俳ＤK通過數(shù)據(jù)輸入功能導(dǎo)入的變量參數(shù)近百項。

快速建模模塊Python程序開發(fā)過程見圖5。

實際應(yīng)用中，在圖2～圖4的界面中完成數(shù)據(jù)輸入后，點擊圖2中的“提交數(shù)據(jù)—Hashin準(zhǔn)則”或“提交數(shù)據(jù)—工程算法準(zhǔn)則”按鈕提交參數(shù)化建模數(shù)據(jù)，生成參數(shù)化建模數(shù)據(jù)文件后彈出“輸入數(shù)據(jù)成功！”消息框。然后，點擊圖2中的“參數(shù)化建模”按鈕，程序開始調(diào)用ABAQUS自動建立修理有限元模型，直至運行完成有限元建模任務(wù)的檢查功能。最后，點擊圖2中的“提交計算”按鈕，程序重新調(diào)用ABAQUS建立的修理有限元模型，直至運行完成有限元分析任務(wù)，自動分析后的分析工具界面如圖6所示。

1.4 后處理模塊

圖 2 修理工具主操作界面Fig.2 Graphic user interface of the repair tool

圖 3 破壞強度參數(shù)輸入界面Fig.3 Input interfacefor damage strength parameters

圖 4 種子和網(wǎng)格布置方案輸入界面Fig.4 Input interface forseed and grid layout scheme

后處理模塊Python程序的開發(fā)過程主要包括：設(shè)置輸出曲線和數(shù)據(jù)名稱功能實現(xiàn)，輸出載荷?位移曲線和數(shù)據(jù)文件功能實現(xiàn)，輸出應(yīng)力和應(yīng)變云圖功能實現(xiàn)。后處理模塊通過提取對應(yīng)命名的*.odb文件，用Python控制ABAQUS內(nèi)核，提取整個過程中的載荷?位移曲線和數(shù)據(jù)文件。對于應(yīng)用工程算法的分析結(jié)果文件，還要提取計算過程中整個模型的最大應(yīng)力或最大應(yīng)變，應(yīng)用最大應(yīng)力準(zhǔn)則和最大應(yīng)變準(zhǔn)則判斷初始損傷發(fā)生的時間，將初始損傷載荷、初始損傷時的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖輸出，同時可以使建模后處理操縱簡便，縮短后處理時間。后處理結(jié)果輸出實例如圖7所示。

圖 5 快速建模模塊Python程序開發(fā)過程Fig.5 Development process for the modeling and iterative analysis module by Python

圖 6 有限元分析結(jié)束實例圖Fig.6 Example for a 3D finite element analysis

2 試驗驗證

采用復(fù)合材料加筋壁板壓縮試驗驗證修理工具的可靠性。在相同的邊界條件及試驗方法下，對所有試驗件進(jìn)行軸向壓縮試驗，并監(jiān)測包括應(yīng)變、屈曲形式等相關(guān)信息，以研究不同結(jié)構(gòu)形式和修理方案的復(fù)合材料加筋壁板的軸壓穩(wěn)定性及承載能力。試驗件共有7組，其中：完好加筋壁板5組，每組3件，共15件；含損傷的機械連接修理加筋壁板2組，每組3件，共6件。

通過進(jìn)行不同參數(shù)的完好加筋壁板及機械連接修理加筋壁板的軸向壓縮試驗，得到它們的極限載荷、載荷?位移曲線和載荷?應(yīng)變曲線，觀察到各個試驗件的最終破壞模式，并采用云紋干涉法觀測部分試驗件的屈曲模態(tài)。結(jié)果表明，修理工具分析得到的加筋壁板壓縮極限載荷與試驗平均值誤差能夠滿足工程應(yīng)用需要，且加筋壁板的破壞模式一致，驗證了修理工具在工程應(yīng)用中的可行性。

圖 7 后處理結(jié)果輸出實例圖Fig.7 Example for apost-processing result output

3 結(jié)論

1）采用漸進(jìn)損傷三維有限元分析方法，基于ABAQUS研發(fā)了復(fù)合材料加筋壁板機械連接修理結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析工具，規(guī)范、簡化了修理結(jié)構(gòu)三維有限元分析過程，提高了分析效率和準(zhǔn)確性。

2）實現(xiàn)在窗體形式的用戶界面中進(jìn)行參數(shù)輸入、通過工具內(nèi)部運算實現(xiàn)自動快速建模、計算與后處理，并輸出載荷?位移曲線、應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖等有限元分析結(jié)果，用戶界面簡潔、友好。