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1、第36卷第2期航空计算技术Vol.36No.22006年3月AeronauticalComputingTechniqueMar.2006复合材料层合板螺栓连接失效分析顾亦磊,赵美英(西北工业大学航空学院,陕西西安710072)摘要:利用ABAQUS软件,加入失效分析程序对层合板螺栓连接挤压强度进行分析。本文提出一种合理的材料刚度退化方法模拟材料失效过程,计算中采用Hashin准则为失效判据,考虑了接触关系,材料逐步失效以及几何非线性等因素。研究结果表明,对压缩失效与拉伸失效采用不同的刚度退化方法能较准确地描述材料失效状态;孔径与板厚度比(D/t)对螺栓孔
2、挤压强度影响较大,随着D/t值减小,螺栓孔挤压失效区域向螺栓孔中心线位置集中。关键词:复合材料;螺栓连接;挤压强度;逐步失效;有限元中图分类号:O346文献标识码:A文章编号:1671O654X(2006)02O0110O04引言的方向平行于层合板对称中面,且不考虑脱层、铺层顺序及螺栓预紧力对连接强度的影响,所以考虑采用二目前,复合材料构件的发展方向是力求实现结构维模型进行分析。的整体性,但是由于设计、工艺和使用维护等方面的需要,在复合材料结构中常常采用机械连接形式进行连接。由于复合材料的脆性及各向异性,导致孔边应力分布较金属构件复杂。螺栓连接的强度及破
3、坏形式与螺栓-孔的配合精度、层合板尺寸、铺层比例及顺序、[1]紧固件预紧力等因素有很大关系。McCarthy利用MSC.MARC建立三维有限元模型,分析了螺栓-孔间图1复合材料层合板螺栓连接尺寸隙对层合板强度的影响。Kelly通过试验研究,认为螺[2]栓-孔间隙降低了层合板的最终连接强度,姜云[3]在二维模型中,由于壳元无法模拟接触行为,因此鹏则利用有限元数值模拟技术再一次证明了这个结本文采用平面应力单元模拟(CPS4)层合板单元。这论。本文通过数值模拟研究了层合板在常态(不吸湿里将具有相同铺向角的铺层用单层CPS4单元来模及常温状态下)孔径-板厚比(D
4、/t)对挤压强度的影拟。以[02/902/±453]s为例,用4个CPS4单元模拟4响并通过试验进行验证。个不同方向的铺层,这4个单元具有相同的节点编号,满足位移协调条件,由此可获得每个铺层的应力应变,1计算模型与失效模拟进一步可研究层与层之间的失效区域扩展。由于螺栓这里考虑一种典型的层合板螺栓连接模型如图1相对层合板刚度较大,此时可认为螺栓刚度对孔边应所示。其中D、E、W、L分别为孔径、端距、板宽及板长。[5]力影响是可以忽略的,所以在此采用基于小滑动摩层合板机械连接的破坏模式一般有3种主要破坏模擦的主-从平面接触算法,螺栓采用刚性连续平面模式,分别为
5、拉伸破坏,剪切破坏以及挤压破坏。当E/D拟。由于结构对称且外加载荷对称,建立如图2所示为3到5及W/D为4到8时一般为挤压破坏。除此有限元模型。之外,层合板破坏模式还依赖于铺层比例及铺层顺[4]序。为研究螺栓孔挤压强度,取E/D=6以及W/D=4。建立有限元模型时,根据不同的研究目的,需要采用不同的单元类型。本文所涉及层合板厚度t相对板长L及板宽W非常小,层合板为对称铺层,外加载荷图2有限元模型收稿日期:2006O01O09修订日期:2006O03O01作者简介::顾亦磊(1979O),男,上海市人,硕士研究生,研究方向为复合材料结构设计。©1994-2
6、009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2006年3月顾亦磊等:复合材料层合板螺栓连接失效分析·111·[8]本文所采用复合材料的基体为环氧树脂,对于有层板的有效刚度会下降,但不会太明显。此外,蔡还机物基体复合材料,有明显的非线性剪切应力应变关指出,只要该层仍旧埋在层合板中,它就继续对层合板系:的刚度有贡献。层合板内含有横向裂纹的铺层与将该13层完全移出层合板是不一样的。基于这种原因,第二γ12=0τ12+ατ12(1)G1
7、2种退化方法认为,对应拉伸破坏与压缩破坏,材料刚度0其中G12,τ12,γ12分别代表初始剪切模量,剪应力和剪退化量是不同的,材料发生压缩破坏时,将保留更多的应变,而α是由试验决定的常数。本文计算中取α=刚度。具体刚度退化方法参见表1。-8-32.44×10Mpa。表1刚度退化方法为将失效程序嵌入有限元程序,将式(1)改写为失效状态材料弹性常数线性表达式: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是增量步数,上式中d为破坏参数,其定义如下FV1=0、FV2=1、F
