(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210620211.X (22)申请日 2022.06.01 (71)申请人 中国民航大 学 地址 300300 天津市东 丽区津北公路2898 号 (72)发明人 牟浩蕾　冯振宇　解江　肖培　 (74)专利代理 机构 西安研创天下知识产权代理 事务所(普通 合伙) 61239 专利代理师 郭璐 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/24(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种复合材料-金属连接结构试验件动态失 效模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种复合材料 ‑金属连接结构 试验件动态失效模拟方法， 包括步骤S1.研究高 锁螺栓紧固件在复合动态加载下的失效模式与 破坏准则， 得到具有普适性的失效方程； S2.研究 复合材料 ‑金属连接结构动态破坏 机理及失效准 则； S3.复合材料 ‑金属连接 结构试验件动态失效 数值模拟及建模方法研究； S4.复合材料 ‑金属连 接数值模拟方法在机身结构坠撞仿真中的应用 研究； 本方法通过研究载荷作用方式和不同加载 速率对其失效模式的影 响规律， 揭示其在坠撞载 荷作用下的失效机理及失效准则， 用以研究其数 值模拟方法， 突破其建模技术， 并在货舱地板下 部结构有限元模 型中进行应用研究， 对于指导工 程实际具有学术 意义和科学价值。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115201006 A 2022.10.18 CN 115201006 A 1.一种复合材 料‑金属连接结构试验 件动态失效模拟方法， 其特 征在于： 包括 步骤 S1.研究高锁螺栓紧固件在复合动态加载下的失效模式与破坏准则， 得到锁螺栓紧固 件失效方程； S2.在高锁螺栓紧固件失效方程的基础上， 研究复合材料 ‑金属连接结构动态破坏机理 及失效准则； S3.研究复合材 料‑金属连接结构试验 件动态失效数值模拟及建模方法； S4.研究复合材 料‑金属连接数值模拟方法在机身结构坠撞仿真中的应用。 2.根据权利要求1所述的一种复合材料 ‑金属连接结构试验件动态失效模拟方法， 其特 征在于： 步骤S1所述的研究高锁螺栓紧固件在复合动态加载下的失效模式与破坏准则的过 程包括 S101.采用典型钛合金高锁螺栓紧固件CFBL1001， 以高速液压伺服材料试验机为试验 平台， 开展其在30 °拉‑剪耦合、 45 °拉‑剪耦合、 60 °拉‑剪耦合以及纯拉伸、 纯剪切等加载模 式和不同加载速率下的加载失效实验； S102.在动态复合加载试验中， 高锁螺栓紧固件在拉伸过程受到的实际载荷分解为沿 拉伸方向的分量和沿剪切方向的分量： T( α )＝Fcosα       (1) N( α )＝Fsi nα        (2) 在式(1)和式(2)中， F为 高锁螺栓紧固件在拉伸过程 中的实际载荷， α 为加载角度， 即拉 伸方向与钉杆之间的夹角， T( α )和N( α )分别为沿拉伸方向的分量和沿剪切方向的分量； S103.根据纯拉伸、 30 °复合加载、 45 °复合加载、 60 °复合加载和纯剪切试验结果， 得到 高锁螺栓紧固件的失效面， 当高锁螺栓紧固件承受载荷的拉伸分量和剪切分量位于失效面 内侧时， 高锁螺栓紧固件不发生失效， 反之， 高锁螺栓紧固件发生失效， 则得到高锁螺栓紧 固件的失效方程： 在式(3)中， Tu和Nu分别为最大拉伸载荷和最大剪切载荷， a和b的值可根据30 °复合加 载、 45°复合加载、 6 0°复合加载 试验数据通过 数值拟合得到 。 3.根据权利要求1所述的一种复合材料 ‑金属连接结构试验件动态失效模拟方法， 其特 征在于： 步骤S2所述的复合材 料‑金属连接结构动态破坏机理及失效准则的研究过程包括 S201.基于碳纤维增 强树脂基复合材料连接母材和 典型的铝合金连接母材， 采用高锁 螺栓紧固件CFBL10 01， 设计不同结构的复合材 料‑金属机械连接结构试验 件； S202.以高速液压伺服材料试验机为试验平台， 开展复合材料 ‑金属机械连接件在加载 速率下0.01m/s ‑10m/s的动态失效试验， 获取 连接结构试验 件的力学性能数据； S203.利用数字图像技术记录步骤S202动态失效试验的整个试验过程， 并获得试验件 表面的动态应变场， 观察两种母板的变形情况， 结合散斑情况分析不同工况下连接结构的 动态失效载荷和失效变形信息， 揭示 其破坏失效机理。 4.根据权利要求1所述的一种复合材料 ‑金属连接结构试验件动态失效模拟方法， 其特 征在于： 步骤S3所述的复合材料 ‑金属连接结构试验件动态失效数值模拟及建模方法研究 过程包括权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115201006 A 2S301.采用LS ‑DYNA有限元分析软件， 使用全积分的Belytschko ‑Tsay壳单元对母板进 行网格划分， 设母板搭接 部分网格尺寸 为1mm， 其余部分4m m， 在厚度上设置多个积分点； S302.金属母版采用J ‑C失效模型或GISSMO损伤模型， 复合材料母板采用Chang ‑Chang 失效准则， 分别采用胶 粘单元和层间接触两种层间建模方式， 通过识别关键参数， 确定参数 取值； 采用六面体簇实体单元来模拟 紧固件， 六面体簇单元是将多个六面体进行组合传递 力和载荷， 当六面体簇的载荷达 到失效条件时， 该 六面体簇删除； S303.通过仿真结果与失效试验结果的相关性分析， 评估复合材料 ‑金属机械连接结构 仿真结果的精度， 对建立的复合材 料‑金属机械连接结构模型进行验证。 5.根据权利要求1所述的一种复合材料 ‑金属连接结构试验件动态失效模拟方法， 其特 征在于： 步骤S4所述的复合材料 ‑金属连接数值模拟方法在机身结构坠撞仿真中的应用研 究过程包括： S401.建立飞机货舱下部复合材料立柱组合件有限元模型， 双立柱结构为复合材料结 构， 其他结构为金属结构； 金属结构采用J ‑C失效模型或GISSMO损伤模型， 复合材料立柱结 构采用Chang‑Chang失效准则； S402.评估飞机货舱下部复合材料立柱组合件的坠撞仿真结果， 对比金属立柱组合件 的坠撞仿真结果， 对建立的复合材 料‑金属机械连接结构模型进行评估； S403.改变复合材料立柱角度、 立柱厚度， 评估飞机货舱下部复合材料立柱结构的抗坠 撞特性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115201006 A 3