结合损伤力学与有限元方法预估铆接结构疲劳寿命

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1、第４４卷第３期航空计算技术Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．３２０１４年５月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＭａｙ．２０１４结合损伤力学与有限元方法预估铆接结构疲劳寿命张晓彪，张君男（西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２）摘要：利用飞机铆接试验件疲劳试验数据，结合损伤力学与有限元方法，通过ＭＡＴＬＡＢ调用ＡＢＡＱＵＳ进行损伤演化方程参数的遗传优化反演。将反演得到的损伤演化方程用于飞机结构疲劳寿命预估中，对机翼蒙皮锪窝形式的铆接结构进行了寿命计算和分析，并与试验数据作对比，证明了方法的可

2、行性。关键词：损伤力学；有限元方法；损伤演化；参数反演；铆接结构中图分类号：Ｏ２４２．２１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１桘６５４Ｘ（２０１４）０３桘００６６桘０３FatigueLifePredictionofRivetedStructurewithDamageMechanics＆FiniteElementMethodＺＨＡＮＧＸｉａｏ桘ｂｉａｏ，ＺＨＡＮＧＪｕｎ桘ｎａｎ（SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi′an７１００６

3、８，China）Abstract：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｄａｔａｏｆａｉｒｃｒａｆｔｒｉｖｅｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅｓ，ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｐａｒａｍｅ-ｔｅｒｓｉｎａｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｄｏｎｅｗｉｔｈｔｈｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ桘ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｂｙＭＡＴ-ＬＡＢａｎｄＡＢＡＱＵＳ．Ｔｈｅｎｔｈｉｓｅｑｕａｔｉｏｎｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆａｉｒｃｒａ

4、ｆｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄｄｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｉｆｅｓｐａｎｏｆｔｈｅｃｏｕｎｔｅｒｓｉｎｋｒｉｖｅｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｗｉｎｇｓｋｉｎｓ．Ｎｕ-ｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Keywords：ｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｒｉｖｅｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［５］

5、引言响；贾善坡提出了一种通过有限元迭代的反演分析方法。在飞机结构的疲劳寿命分析中，铆接结构的铆钉［４－５］孔处应力集中严重，容易萌生疲劳裂纹，导致蒙皮开本文结合上述两种方法，在ＡＢＡＱＵＳ材料子裂，造成严重的后果。因而，准确预测铆接结构疲劳寿程序中建立耦合疲劳损伤的材料模型，在应力场中引命对于保证飞机的安全具有重要意义。目前，实际工入损伤演化的影响，利用铆接结构件的疲劳试验数据，程中采用的铆接结构寿命预测方法主要是基于试验和借助ＭＡＴＬＡＢ采用遗传算法进行遗传优化反演，得到统计的经验公式［１－２］对结构

6、的疲劳性能进行计算分结构损伤演化方程，通过计算疲劳寿命与试验结果对比进行验证。析，一般要对构件进行大量的疲劳试验。通过建立一种损伤累积理论来描述结构件的疲劳破坏过程，可以１损伤力学理论方便地预估结构件的疲劳寿命。损伤力学作为固体力学的一个重要的分支，为结１）损伤度定义［６］构的疲劳损伤分析提供了新的方法来定量计算结构的Ｌｅｒｍａｉｔｒｅ将损伤度定义为：疲劳寿命和预估疲劳性能。损伤演化方程描述了材料D＝１－ED／E（１）的损伤内变量在使用过程中的变化规律。损伤力学理式中，E为材料无损时的弹性模量，ED为材

7、料损伤度［３］论认为：结构的疲劳损伤累积引起的失效是结构内为D时的弹性模量。疲劳损伤按照一定的演化规律逐渐演化的一个过程，２）含损材料本构方程［４］当损伤累积到门槛值时结构发生失效破坏。周太全含损材料伤考虑损伤度后的本构关系变为：在全耦合疲劳损伤方法中引入了有限元的二次开发，σ＝E１－Dε（２）分析桥梁构件损伤场与应力场互耦对于损伤累积的影式中，σ为应力，ε为应变。收稿日期：２０１３－１２－０７修订日期：２０１４－０４－０８作者简介：张晓彪（１９９０－），男，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向为飞行器

8、结构设计。２０１４年５月张晓彪等：损伤力学－有限元方法预估铆接结构疲劳寿命·６７·３）疲劳损伤演化方程Ｓｔｅｐ１在ＭＡＴＬＡＢ程序中调用ＡＢＡＱＵＳ命令流［７］张行提出了一种疲劳损伤演化方程：文件，并通过ｓｙｓｔｅｍ命令调用ＡＢＡＱＵＳ计算；p＋１２p＋２ｄDα１１Ｓｔｅｐ２通过ｆｏｐｅｎ命令调用ＡＢＡＱＵＳ结果文件，＝×ｄNp＋１２E１－D计算目标函数；２p＋２２p＋２０．５＋γ２p＋２σMe－σth０１－D（３）Ｓｔｅｐ３在ＭＡＴＬＡＢ