張星明 ， 藍(lán)元沛 ， 徐吉峰

（民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)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(jī)上的用量已超過(guò)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(duì)其進(jìn)行修理，以保證飛機(jī)的使用安全。為確定修理參數(shù)，要對(duì)受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行修理分析設(shè)計(jì)，并對(duì)修理后的結(jié)構(gòu)恢復(fù)或滿(mǎn)足承載能力要求進(jìn)行評(píng)估，確保修理后的結(jié)構(gòu)能恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，并避免對(duì)傳力路徑、氣動(dòng)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(lái)，研究人員針對(duì)兩類(lèi)主要修理方法（膠接修理和機(jī)械連接修理）開(kāi)展了大量模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)志東等[3-9]諸多研究者分別針對(duì)復(fù)合材料層合板挖補(bǔ)修理、貼補(bǔ)修理、機(jī)械連接修理后拉伸、壓縮、剪切性能開(kāi)展了有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了各類(lèi)修理參數(shù)對(duì)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(jī)型后機(jī)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(jī)翼下蒙皮壁板遭受離散源損傷后的修理方案設(shè)計(jì)、漸進(jìn)損傷分析模型與試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)。

由于復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建模過(guò)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(kāi)發(fā)了針對(duì)層壓板貼補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)的快速建模及后處理程序，但目前尚未見(jiàn)關(guān)于復(fù)合材料加筋壁板機(jī)械連接修理設(shè)計(jì)與分析工具的公開(kāi)報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)“工”字型長(zhǎng)桁復(fù)合材料加筋壁板修理結(jié)構(gòu)的快速建模、計(jì)算與分析，以降低復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析成本，縮短研究周期。

1 分析工具開(kāi)發(fā)過(guò)程

1.1 開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)介

復(fù)合材料加筋壁板機(jī)械連接修理設(shè)計(jì)與分析工具可以快速建立結(jié)構(gòu)修理模型并分析其強(qiáng)度性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

圖 1 參數(shù)化建模與分析工具開(kāi)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(tái)的C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)建立一個(gè)以Windows 窗體形式出現(xiàn)的用戶(hù)界面，將用戶(hù)輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)化為*.txt 格式的文本文檔進(jìn)行存儲(chǔ)；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(kāi)發(fā)環(huán)境），通過(guò)帶修理參數(shù)的Python 文件（*.py文件）的開(kāi)發(fā)，將*.txt文檔中的修理參數(shù)寫(xiě)入*.py文件，進(jìn)而在ABAQUS 軟件中運(yùn)行*.py文件實(shí)現(xiàn)快速建模、計(jì)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(kāi)發(fā)參數(shù)輸入界面時(shí)，在啟動(dòng)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）?？丶闹饕贾梅桨笧椋捍绑w上部輸入模型名稱(chēng)、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(jī)械連接修理和雙面機(jī)械連接修理的相關(guān)修理參數(shù)，主要有蒙皮、筋條、補(bǔ)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(qiáng)度值，特別設(shè)置母板、補(bǔ)片和膠層的材料破壞強(qiáng)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(lái)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(duì)應(yīng)的Python函數(shù)，將函數(shù)中隨模型變化的點(diǎn)、線(xiàn)、面以及體的編號(hào)采用函數(shù)findAt ()更改為對(duì)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(xiě)調(diào)用數(shù)據(jù)的程序語(yǔ)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(guò)數(shù)據(jù)輸入功能導(dǎo)入的變量參數(shù)近百項(xiàng)。

快速建模模塊Python程序開(kāi)發(fā)過(guò)程見(jiàn)圖5。

實(shí)際應(yīng)用中，在圖2～圖4的界面中完成數(shù)據(jù)輸入后，點(diǎn)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(diǎn)擊圖2中的“參數(shù)化建?！卑粹o，程序開(kāi)始調(diào)用ABAQUS自動(dòng)建立修理有限元模型，直至運(yùn)行完成有限元建模任務(wù)的檢查功能。最后，點(diǎn)擊圖2中的“提交計(jì)算”按鈕，程序重新調(diào)用ABAQUS建立的修理有限元模型，直至運(yùn)行完成有限元分析任務(wù)，自動(dòng)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(qiáng)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(kāi)發(fā)過(guò)程主要包括：設(shè)置輸出曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)名稱(chēng)功能實(shí)現(xiàn)，輸出載荷?位移曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)文件功能實(shí)現(xiàn)，輸出應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D功能實(shí)現(xiàn)。后處理模塊通過(guò)提取對(duì)應(yīng)命名的*.odb文件，用Python控制ABAQUS內(nèi)核，提取整個(gè)過(guò)程中的載荷?位移曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)文件。對(duì)于應(yīng)用工程算法的分析結(jié)果文件，還要提取計(jì)算過(guò)程中整個(gè)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(shí)間，將初始損傷載荷、初始損傷時(shí)的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D輸出，同時(shí)可以使建模后處理操縱簡(jiǎn)便，縮短后處理時(shí)間。后處理結(jié)果輸出實(shí)例如圖7所示。

圖 5 快速建模模塊Python程序開(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)例圖Fig.6 Example for a 3D finite element analysis

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用復(fù)合材料加筋壁板壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證修理工具的可靠性。在相同的邊界條件及試驗(yàn)方法下，對(duì)所有試驗(yàn)件進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)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(yàn)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(jī)械連接修理加筋壁板2組，每組3件，共6件。

通過(guò)進(jìn)行不同參數(shù)的完好加筋壁板及機(jī)械連接修理加筋壁板的軸向壓縮試驗(yàn)，得到它們的極限載荷、載荷?位移曲線(xiàn)和載荷?應(yīng)變曲線(xiàn)，觀察到各個(gè)試驗(yàn)件的最終破壞模式，并采用云紋干涉法觀測(cè)部分試驗(yàn)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(yàn)平均值誤差能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用需要，且加筋壁板的破壞模式一致，驗(yàn)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(shí)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(jī)械連接修理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析工具，規(guī)范、簡(jiǎn)化了修理結(jié)構(gòu)三維有限元分析過(guò)程，提高了分析效率和準(zhǔn)確性。

2）實(shí)現(xiàn)在窗體形式的用戶(hù)界面中進(jìn)行參數(shù)輸入、通過(guò)工具內(nèi)部運(yùn)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速建模、計(jì)算與后處理，并輸出載荷?位移曲線(xiàn)、應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D等有限元分析結(jié)果，用戶(hù)界面簡(jiǎn)潔、友好。