复合材料加筋壁板机械连接修理设计与分析工具

张星明 ， 蓝元沛 ， 徐吉峰

（民用飞机结构与复合材料北京市重点实验室，中国商飞北京民用飞机技术研究中心，北京 102211）

0 引言

复合材料在新一代民用飞机上的用量已超过50%[1]，一旦复合材料结构遭受损伤，需根据损伤的严重程度确定修理方案并对其进行修理，以保证飞机的使用安全。为确定修理参数，要对受损结构进行修理分析设计，并对修理后的结构恢复或满足承载能力要求进行评估，确保修理后的结构能恢复原结构的设计要求，并避免对传力路径、气动力光滑性和质量等产生较大影响[2]。

复合材料修理结构分析通常采用有限元方法。近年来，研究人员针对两类主要修理方法（胶接修理和机械连接修理）开展了大量模拟分析和试验验证。关志东等[3-9]诸多研究者分别针对复合材料层合板挖补修理、贴补修理、机械连接修理后拉伸、压缩、剪切性能开展了有限元分析和试验验证，研究了各类修理参数对修理结构性能的影响。在复合材料加筋壁板修理研究方面，赵闯等[10-11]研究了某机型后机身前段装配口区域加筋壁板修理结构的拉伸和压缩性能，陈向明等[12-13]研究了复合材料机翼下蒙皮壁板遭受离散源损伤后的修理方案设计、渐进损伤分析模型与试验验证技术。

由于复合材料修理结构复杂、建模过程繁琐，手工重复建模工作量大、准确性低，郭霞等[14]基于ABAQUS软件开发了针对层压板贴补修理结构的快速建模及后处理程序，但目前尚未见关于复合材料加筋壁板机械连接修理设计与分析工具的公开报道。本研究提出一种基于渐进损伤有限元分析方法的修理结构分析工具，实现对“工”字型长桁复合材料加筋壁板修理结构的快速建模、计算与分析，以降低复合材料修理结构设计分析成本，缩短研究周期。

1 分析工具开发过程

1.1 开发流程简介

复合材料加筋壁板机械连接修理设计与分析工具可以快速建立结构修理模型并分析其强度性能，实现对不同修理参数的快速变更。该工具主要由参数输入界面、快速建模模块和后处理模块等部分组成，其开发流程如图1所示。

图 1 参数化建模与分析工具开发流程图Fig.1 Flow chart for the parametric modeling and analysis tool development

该分析工具的参数输入界面使用Microsoft Visual Studio 2010平台的C#语言进行开发，通过建立一个以Windows 窗体形式出现的用户界面，将用户输入的参数转化为*.txt 格式的文本文档进行存储；快速建模模块和后处理模块，主要基于 ABAQUS 中的 PDE（Python Development Environment，即Python开发环境），通过带修理参数的Python 文件（*.py文件）的开发，将*.txt文档中的修理参数写入*.py文件，进而在ABAQUS 软件中运行*.py文件实现快速建模、计算与后处理。

1.2 参数输入界面

修理工具主操作界面即参数输入界面如图2所示。开发参数输入界面时，在启动Visual Studio 2010，选择“Visual C#”|“Windows”后，根据需要输入的参数要求，分别在窗体上布置“Button”控件、“Masked Text Box”控件以及“Label”控件（图 2）。控件的主要布置方案为：窗体上部输入模型名称、保存路径、材料属性、分析步—质量比例系数、最大应变等信息，窗体下部分别输入单面机械连接修理和双面机械连接修理的相关修理参数，主要有蒙皮、筋条、补片和紧固件的几何尺寸、铺层、布局方案、位移载荷等信息，右侧的控制面板是提供建模和分析处理的按钮，其中区分了最大应力准则、最大应变准则、Hashin准则等不同失效准则。为了输入复合材料和板筋间胶层的破坏强度值，特别设置母板、补片和胶层的材料破坏强度输入的子窗口“Form2.cs”，该子窗体的布置如图3所示。为了根据不同的加筋壁板尺寸以及修理参数来布置种子并划分网格，特别设置种子布置方案输入的子窗口“Form3.cs”，该子窗体的布置如图4所示。

1.3 快速建模模块

快速建模模块直接从记录ABAQUS/CAE 命令文件*.rpy中提取每一步操作所对应的Python函数，将函数中随模型变化的点、线、面以及体的编号采用函数findAt ()更改为对应坐标，然后将需要变更的坐标值用变量代替，在Python程序中编写调用数据的程序语言，赋值给变量，使模型的所有相关数据都随着输入参数的变化而变化。快速建模模块通过数据输入功能导入的变量参数近百项。

快速建模模块Python程序开发过程见图5。

实际应用中，在图2～图4的界面中完成数据输入后，点击图2中的“提交数据—Hashin准则”或“提交数据—工程算法准则”按钮提交参数化建模数据，生成参数化建模数据文件后弹出“输入数据成功！”消息框。然后，点击图2中的“参数化建模”按钮，程序开始调用ABAQUS自动建立修理有限元模型，直至运行完成有限元建模任务的检查功能。最后，点击图2中的“提交计算”按钮，程序重新调用ABAQUS建立的修理有限元模型，直至运行完成有限元分析任务，自动分析后的分析工具界面如图6所示。

1.4 后处理模块

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

图 3 破坏强度参数输入界面Fig.3 Input interfacefor damage strength parameters

图 4 种子和网格布置方案输入界面Fig.4 Input interface forseed and grid layout scheme

后处理模块Python程序的开发过程主要包括：设置输出曲线和数据名称功能实现，输出载荷−位移曲线和数据文件功能实现，输出应力和应变云图功能实现。后处理模块通过提取对应命名的*.odb文件，用Python控制ABAQUS内核，提取整个过程中的载荷−位移曲线和数据文件。对于应用工程算法的分析结果文件，还要提取计算过程中整个模型的最大应力或最大应变，应用最大应力准则和最大应变准则判断初始损伤发生的时间，将初始损伤载荷、初始损伤时的应力云图和应变云图输出，同时可以使建模后处理操纵简便，缩短后处理时间。后处理结果输出实例如图7所示。

图 5 快速建模模块Python程序开发过程Fig.5 Development process for the modeling and iterative analysis module by Python

图 6 有限元分析结束实例图Fig.6 Example for a 3D finite element analysis

2 试验验证

采用复合材料加筋壁板压缩试验验证修理工具的可靠性。在相同的边界条件及试验方法下，对所有试验件进行轴向压缩试验，并监测包括应变、屈曲形式等相关信息，以研究不同结构形式和修理方案的复合材料加筋壁板的轴压稳定性及承载能力。试验件共有7组，其中：完好加筋壁板5组，每组3件，共15件；含损伤的机械连接修理加筋壁板2组，每组3件，共6件。

通过进行不同参数的完好加筋壁板及机械连接修理加筋壁板的轴向压缩试验，得到它们的极限载荷、载荷−位移曲线和载荷−应变曲线，观察到各个试验件的最终破坏模式，并采用云纹干涉法观测部分试验件的屈曲模态。结果表明，修理工具分析得到的加筋壁板压缩极限载荷与试验平均值误差能够满足工程应用需要，且加筋壁板的破坏模式一致，验证了修理工具在工程应用中的可行性。

图 7 后处理结果输出实例图Fig.7 Example for apost-processing result output

3 结论

1）采用渐进损伤三维有限元分析方法，基于ABAQUS研发了复合材料加筋壁板机械连接修理结构设计与分析工具，规范、简化了修理结构三维有限元分析过程，提高了分析效率和准确性。

2）实现在窗体形式的用户界面中进行参数输入、通过工具内部运算实现自动快速建模、计算与后处理，并输出载荷−位移曲线、应力云图、应变云图等有限元分析结果，用户界面简洁、友好。