一种基于Isight的螺栓孔疲劳特征模拟件设计方法

一种基于Isight的螺栓孔疲劳特征模拟件设计方法

梁逸君  王想生

（中航通飞华南飞机工业有限公司，珠海519040）

摘  要  本文以某典型螺栓孔为研究对象，针对其相对复杂的结构特征，为设计对应的疲劳试验件，建立了疲劳模拟件的设计标准化方法，并通过Isight软件的Simcode组件，对参数敏感性分析的方法实现了几何简化，得到应力值和梯度敏感的几何参数，从而实现对模拟件的设计，达到几何相似，应力相似，但试验加载相对简单。

关键词  模拟件，Isight，相似

**  通讯作者. 梁逸君     Tel: 13121268018,   E-mail: m13121268018@163.com..

0   引言

航空飞行器的几何结构设计日渐复杂，对复杂构件的疲劳定寿，用传统的单轴拉伸棒、板和缺口试验件，难以准确模拟某些结构特征的应力状态，更无法准确地“复现”结构的破坏形式，因此，基于结构特征的模拟件的设计势在必行。

而模拟件的设计，需要准确把握设计的标准化流程：如设计准则，复杂应力状态的几何等效性设计，批量处理/重复处理方法。

本文以某螺栓孔为例，进行特征模拟件的设计。

1   螺栓孔模拟件设计准则

模拟件的设计，需要在保证结构的典型受载形式和失效形式与真实结构相似，并且尽量使得结构相对简单，便于加载，进行疲劳试验。根据对某螺栓孔的数值分析，可以确认的是该螺栓孔边的第一主应力远大于第二、三主应力，如下图所示，因此，模拟件的设计必须在应力分布上满足此要求。

图1某螺栓孔的典型受载形式数值模拟结果

同时，为进一步完善模拟件的设计，建立设计准则如下：

（1）模拟件材料与真实结构保持一致；

（2）考核点/失效点/应力集中点附近的应力场与真实结构接近；

（3）模拟件与真实结构的温度、湿度场保持尽可能接近；

（4）模拟件破坏模式与真实结构保持一致。

2   几何特征设计

2.1几何清理

根据真实结构上螺栓孔附近的应力场，对于非典型特征、距离孔边较远的不规则凸台及影响试验件夹持的几何结构进行清理。因此删除螺栓孔距离孔边较远的倒角和圆角，将圆环段上的螺栓孔，修正为方便单轴加载的直段形式，从而确定螺栓孔特征模拟件的基本特征，基准模拟件的三维模型如下图所示。整体呈现为一个中心带倒角的孔平板构件，两侧预留的平面可为后续试验提供设计夹持端的空间。根据有限元分析，认为螺栓孔边最大第一主应力处是起裂点，螺栓孔沿着孔径向产生穿透型裂纹

图2  基准模拟件的模型

2.2参数敏感性分析

为降低后续对于应力场模拟的计算量，对基准模拟件上的几何参数进行梳理、筛选、调整并进行计算，查看不同几何参数下，模拟件的起裂点附近的应力场差异，挑选其中对于应力场最为敏感的2~5个参数进行后续分析。对于螺栓孔来说，一般可选择孔径R              ，孔边倒角角度Δ1，孔深H，孔边倒角大小T1，板厚δ，板边倒角角度Δ2，载荷P板边倒角大小T2。这个过程可借助软件Isight实现，建议在±10%范围内，观察孔边最大应力和应力梯度的变化范围，选择应力大小相较于初始值，变化范围最大或者梯度变化最为明显的几个参数作为后续几何细节刻画的参数。参数敏感性分析结果如下表1所示。综上，拟选定一个合适的孔径R，孔边倒角角度Δ1和外载荷P进行后续几何细节刻画。

表1  螺栓孔模拟件参数敏感性分析

2.3参数敏感性分析

借助ISIGHT的Simcode组件，与ABAQUS进行集成后，进行参数化建模和分析，并且可以设定细节细节刻画路径，选定孔径R，孔边倒角角度Δ1和载荷P进行分析结果比较。由于载荷由具体的试验载荷谱进行确定，因此在参数化建模分析中，仅对孔径R，孔边倒角角度Δ1进行分析。且由于螺栓孔边的第一主应力远大于第二、三主应力，因此主要对第一主应力进行重点模拟。

图 3  几何细节刻画目标路径

2.4批量分析

对结构进行参数化建模分析，需要从ABAQUS软件中进行建模，并且标注对应的模型尺寸，具体操作为：“parts”—“creat part” —“add constrains”中进行草图中某些点的几何关系限制，在“parts”—“creat part” —“add constrains”中进行尺寸标注。计算完一个算例后，获取rpy文件“abaqus.rpy”并且修改后缀为.py，将abaqus.py导入到Isight的Simcode组件中，并且对于需要优化的参数进行捕捉，即可后续实现对于该参数的批量化分析。

如下所示即为rpy文件中尺寸标注代码，代码含义为对某两条线的角度标注为137°，对某两个实体间的距离标注为3.7mm：

图 4  ISIGHT调用.py文件中尺寸标注代码界面

为使Isight顺利调用软件ABAQUS，并且减少打开CAE界面带来的卡顿，批量分析过程中，需要书写批处理程序调用ABAQUS，具体方式如下：创建一个新的txt文本文件，键入：“ABAQUS CAE的批处理文件的地址” cae nogui=abaqus.py，键入后将文件保存，并将文件后缀从txt格式改为bat格式，命名为“ABA.bat”即可

安装完成ISIGHT软件包后，打开“ISIGHT 5.9-4 Design Gateway”，选择Task 1—Application Component，拖拽Simcode组件至循环的Begin(绿点)—End(红点)中间的横线上。

双击循环中的Simcode组件，开始编辑输入参数、调用文件和输出参数。

(1)input界面操作步骤

选择input—Click here to open a new Data Source方框，打开3.4.3节中编辑好的abaqus.py文件，双击导入，从打开的.py文件中用鼠标选中需要优化的参数，给参数命名，点击parameter右侧的钢笔形状图标，输入参数名并且保存，参数将会在界面右侧的Input Parameters中，在Input Parameters框内，可以指定文件参数的类型和模式，如图5所示。

图5  Simcode-input界面操作步骤

(2)command界面操作步骤

选择Command—Basic—Find Program…，选取编写好的ABA.bat批处理文件，如图6所示。

图6  Simcode-command界面操作步骤

(3)output界面操作步骤

选择Output—Click here to open a new Data Source，打开相应.rpt文件，双击导入，从文件中选择优化目标参数并命名后，点击parameter右侧的书本图标，输入参数将保存界面右侧，如图7所示。

图7  Simcode-output界面操作步骤

在软件中，创建试验循环的具体操作方法为：鼠标右键点击循环中的Task 1，选择Change To—New…从弹出弹框中选择DOE，得到一个由DOE驱动的循环。

双击DOE1图标，内含General，Factors，Design Matrix和Postprocessing这4个部分。

其中，点击General—DOE Tenique，可以根据试验需求，安排不同的实验设计方法(DOE Tenique)：常用的有拉丁超立方抽样(Latin Hypercube)、全因子组合(Full Factorial)、正交试验(Orthogonal Array)、参数试验(Fractional Factorial)、中心复合试验(Central Composite)等。拉丁超立方抽样在大计算量的计算机试验循环中泛用性很好，参数试验适用于参数敏感性分析，正交试验是以最少的试验量得到目标参数信息，中心复合试验一般用于多水平、多参数的试验循环。本文采用的是拉丁超立方抽样。在General—Number of points中可以设置根据需求，安排相应的试验数量。

Factors界面中，可以对Simcode­—input中设置的参数选择需分析参数，且参数值设置数值变化的模式：diff(等量值差)，%(百分比差)和value(上/下限)，基准值的设定，如图8所示。

图8  DOE-Factors界面

Design Matrix界面中，可以看到根据所选参数，General，Factors界面中设置所得到的的实验设计结果，在列表最后的add可以键入关心特殊点或者对照结果。

在Postprocessing界面中，可以选择在Simcode-output界面中定义的参数，选择其中的一些设置优化目标点为最大值范围(minimize)，最小值范围(maximize)或者某一具体值(target)，并且可以设置各个参数在优化目标中所占权重。

完成四个模块的设置后，检查是否存在欠定义的参数，如存在欠定义的必要参数，用户界面左下角会提示，循环中会存在黄色倒三角提示，在检查完毕后，点击下方APPLY—OK，右键单击DOE1—Run—Run Component(DOE1)开始运行。运行完成后，不满足优化目标的实验组将显示为灰色，满足要求的实验组将显示为蓝色，结果最佳的组将显示为绿色。本文的算例结果如图9所示。

图9  优化结果界面

通过模拟，得到的最佳结果如下：

图10  最佳优化结果与真实结果对比

从结果可以看出，特征模拟件在第一主应力梯度最大的方向的应力分布与实盘相似程度很高，设特征模拟件和实盘在第一主应力梯度最大的方向上的相对误差为：

(2-1)

经计算，整体相对误差仅2%。在距离最大第一主应力点2mm的范围内，仅有1.3%。判定系数R2

=0.992。

此时，特征模拟件的对应的几何参数为：

表2  模拟件优化后的几何参数

至此，涡轮盘螺栓孔特征模拟件设计流程已经全部完成。如果优化结果不能满足设计准则，则调整模拟件几何参数的优化范围重新优化。

4   总结

本文基于集成了Isight-Simcode的ABAQUS软件，利用Python脚本语言，完成了对螺栓孔特征模拟件的设计，并且拟定了相应的模拟件设计准则，设计了详细的操作方法，极大地提升了模拟件设计的效率、水平，为复杂结构的疲劳试验的开展提供了有力支持。

参考文献

[1] 赵福星,杨兴宇.发动机构件低循环疲劳模拟试验件设计方法[J].燃气涡轮试验研究,2003,2:50-52

[2] 陆山,王春光,陈军.任意最大应力梯度路径轮盘模拟件设计方法[J].航空动力学报,2010,25(09):2000-2004

[3]王延荣,李宏新,袁善虎,魏大盛,石亮.考虑应力梯度的缺口疲劳寿命预测方法

[4]梁逸君，基于特征模拟件的粉末涡轮盘寿命预测方法[D].北京：北京航空航天大学，2022