復(fù)合材料層合板螺栓連接失效分析

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1、第36卷第2期航空計算技術(shù)Vol.36No.22006年3月AeronauticalComputingTechniqueMar.2006復(fù)合材料層合板螺栓連接失效分析顧亦磊,趙美英(西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,陜西西安710072)摘要:利用ABAQUS軟件,加入失效分析程序?qū)雍习迓菟ㄟB接擠壓強度進行分析。本文提出一種合理的材料剛度退化方法模擬材料失效過程,計算中采用Hashin準(zhǔn)則為失效判據(jù),考慮了接觸關(guān)系,材料逐步失效以及幾何非線性等因素。研究結(jié)果表明,對壓縮失效與拉伸失效采用不同的剛度退化方法能較準(zhǔn)確地描述材料失效狀態(tài);孔徑與板厚度比(D/t)對螺栓孔

2、擠壓強度影響較大,隨著D/t值減小,螺栓孔擠壓失效區(qū)域向螺栓孔中心線位置集中。關(guān)鍵詞:復(fù)合材料;螺栓連接;擠壓強度;逐步失效;有限元中圖分類號:O346文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671O654X(2006)02O0110O04引言的方向平行于層合板對稱中面,且不考慮脫層、鋪層順序及螺栓預(yù)緊力對連接強度的影響,所以考慮采用二目前,復(fù)合材料構(gòu)件的發(fā)展方向是力求實現(xiàn)結(jié)構(gòu)維模型進行分析。的整體性,但是由于設(shè)計、工藝和使用維護等方面的需要,在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中常常采用機械連接形式進行連接。由于復(fù)合材料的脆性及各向異性,導(dǎo)致孔邊應(yīng)力分布較金屬構(gòu)件復(fù)雜。螺栓連接的強度及破

3、壞形式與螺栓-孔的配合精度、層合板尺寸、鋪層比例及順序、[1]緊固件預(yù)緊力等因素有很大關(guān)系。McCarthy利用MSC.MARC建立三維有限元模型,分析了螺栓-孔間圖1復(fù)合材料層合板螺栓連接尺寸隙對層合板強度的影響。Kelly通過試驗研究,認為螺[2]栓-孔間隙降低了層合板的最終連接強度,姜云[3]在二維模型中,由于殼元無法模擬接觸行為,因此鵬則利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)再一次證明了這個結(jié)本文采用平面應(yīng)力單元模擬(CPS4)層合板單元。這論。本文通過數(shù)值模擬研究了層合板在常態(tài)(不吸濕里將具有相同鋪向角的鋪層用單層CPS4單元來模及常溫狀態(tài)下)孔徑-板厚比(D

4、/t)對擠壓強度的影擬。以[02/902/±453]s為例,用4個CPS4單元模擬4響并通過試驗進行驗證。個不同方向的鋪層,這4個單元具有相同的節(jié)點編號,滿足位移協(xié)調(diào)條件,由此可獲得每個鋪層的應(yīng)力應(yīng)變,1計算模型與失效模擬進一步可研究層與層之間的失效區(qū)域擴展。由于螺栓這里考慮一種典型的層合板螺栓連接模型如圖1相對層合板剛度較大,此時可認為螺栓剛度對孔邊應(yīng)所示。其中D、E、W、L分別為孔徑、端距、板寬及板長。[5]力影響是可以忽略的,所以在此采用基于小滑動摩層合板機械連接的破壞模式一般有3種主要破壞模擦的主-從平面接觸算法,螺栓采用剛性連續(xù)平面模式,分別為

5、拉伸破壞,剪切破壞以及擠壓破壞。當(dāng)E/D擬。由于結(jié)構(gòu)對稱且外加載荷對稱,建立如圖2所示為3到5及W/D為4到8時一般為擠壓破壞。除此有限元模型。之外,層合板破壞模式還依賴于鋪層比例及鋪層順[4]序。為研究螺栓孔擠壓強度,取E/D=6以及W/D=4。建立有限元模型時,根據(jù)不同的研究目的,需要采用不同的單元類型。本文所涉及層合板厚度t相對板長L及板寬W非常小,層合板為對稱鋪層,外加載荷圖2有限元模型收稿日期:2006O01O09修訂日期:2006O03O01作者簡介::顧亦磊(1979O),男,上海市人,碩士研究生,研究方向為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。?1994-2

6、009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2006年3月顧亦磊等:復(fù)合材料層合板螺栓連接失效分析·111·[8]本文所采用復(fù)合材料的基體為環(huán)氧樹脂,對于有層板的有效剛度會下降,但不會太明顯。此外,蔡還機物基體復(fù)合材料,有明顯的非線性剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)指出,只要該層仍舊埋在層合板中,它就繼續(xù)對層合板系:的剛度有貢獻。層合板內(nèi)含有橫向裂紋的鋪層與將該13層完全移出層合板是不一樣的。基于這種原因,第二γ12=0τ12+ατ12(1)G1

7、2種退化方法認為,對應(yīng)拉伸破壞與壓縮破壞,材料剛度0其中G12,τ12,γ12分別代表初始剪切模量,剪應(yīng)力和剪退化量是不同的,材料發(fā)生壓縮破壞時,將保留更多的應(yīng)變,而α是由試驗決定的常數(shù)。本文計算中取α=剛度。具體剛度退化方法參見表1。-8-32.44×10Mpa。表1剛度退化方法為將失效程序嵌入有限元程序,將式(1)改寫為失效狀態(tài)材料彈性常數(shù)線性表達式:FV1=0、FV2=0、FV3=0、FV4=0E1E2V12G12i+1i+10i+1τ12=G12γ12=(1-d)G12γ12(2)FV1=1、FV2=0、FV3=0、FV4=0E10.053E20

8、G12其中i是增量步數(shù),上式中d為破壞參數(shù),其定義如下FV1=0、FV2=1、F