复合材料层合板螺栓连接应变与承载刚度分析预测

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1、复合材料层合板螺栓连接应变与承载刚度分析预测摘要关于机械连接的研究引起了广泛的重视。有限元模型用于复合材料层合板销钉连接的分析，该模型能用于分析计算钉孔界面、渐进损伤、大变形机理和非线性剪切应力应变关系。来预测铺层渐进失效，四种不同的分析方法结合Hashin失效准则、最大应力失效准则和不同的渐进失效准则进行。本文研究的主要内容是确定失效准则及渐进失效准则对于预测孔周应力及承载能力的影响。通过理论预测与实验结果进行比较，得出有限元模型基于合适的失效准则和渐进规律所得的结果比基于最大应力失效准则数值计算更符合实验结果。引言螺栓连接广泛用于航空航天、船舶发动机结构及复合材

2、料等领域。由于螺栓连接需要在结构件上钻孔，因此大的应力集中更趋向于分布在孔周，导致结构整体强度显著降低。绝大部分螺栓连接在结构的临界处，因此保证螺栓连接的安全是至关重要的。复合材料各项性能优越，为了使复合材料能更多的应用与结构件，就要求有一套合适的应力及失效预测的方法。目前，已经存在数种用于预测复合材料层合板承载失效分析预测的数值模型，其中大部分Camanho和Matthews已做了详尽的评估。通常，这些数值模型用有限元进行渐进损伤分析，以下是基本步骤：1)进行应力分析2)应用一系列失效准则去验证节点是否失效3)如果发生破坏，材料属性退化。继续增加载荷，直到更多的节

3、点属性退化导致连接失效。实际中，由于单元过度扭曲导致的大变形，程序经常在没有达到失效载荷是就已经能停止运行。在进行应力分析时，不同的人采用的失效准则及渐进损伤准则会有所不同。在进行应力分析时，主要使用的是二维线性和非线性的有限元模型。销钉通常有两种简化方式：一是在层合板孔周设定边界条件，二是在孔的加载端设定余弦径向应力。由于实际销钉与孔存在接触关系，这两种简化方式并不总能精确反映实际情况。因此，更为准确的方法是将钉载引入，将销钉建立成一个刚性界面并在孔周建立钉杆周围与节点接触的从属关系。这样，摩擦力及钉杆间隙都能被考虑，只有少数的研究者采用这种方式。最近，三维有限元

4、模型被提出，尽管三维模型比二维模型更复杂需要更大的投入，但三维模型对于螺栓连接失效的准确预测潜力很大，例如对夹紧力及分层的预测。应力计算完后，基于失效准则对损伤进行检查。目前为止，预测复合材料失效的失效准则在许多论文中都有所提及，如：Chang和Chang利用Yamada–Sun失效准则预测基体破坏、纤维基体脱粘和纤维断裂，用Hashin失效准则对纤维压缩破坏进行了预测；Lessard和Shokrieh选用Hashin失效准则建立基体失效、纤维基体脱粘和纤维断裂失效模型；Kimetal也选用Hashin失效准则，但没有考虑纤维基体脱粘。其余研究者使用最大应力失效准则

5、、Tsai–Wu或Hill准则进行预测。Danoetal研究失效准则对于不同铺层顺序的复合材料层合板失效预测的影响，得出最大应力失效准则预测纤维失效比Hashin失效准则更为准确，这个结论被Tserpesetal证实。最终，对检测到破坏的节点进行属性退化，在众多论文中提到的退化规则中，两种是比较常用的。Chang和Chang提出一种二维渐进破坏模型用于受拉伸载荷和钉载的切口层合板分层的分析。当发生基体破裂失效时，假定横向模量E2和减小至零。当发生纤维基体脱粘或纤维断裂时，横向模量E2和减小至零，同时，失效区的纵向模量和剪切模量根据威布尔统计分布退化。Tan提出一种二

6、维累积损伤模型用于受拉伸载荷带孔结构的层合板。板材的刚度退化由引起材料属性退化的因素表现。假定拉伸破坏引起的材料刚度退化与压缩引起的刚度退化不同，这个假设在Tan早期论文中就已经有讨论。参数化研究表明刚度退化因素对层合板极限强度有较大影响。这一理论被Camanho和Matthews扩展到三维模型，但是依然没有涉及分层破坏。尽管这一理论是在含有钉载带孔复合材料层合板的渐进破坏模型上建立的，但是还远不能解决这一问题。失效准则及材料属性退化准这些基本方面还需进一步研究。许多模型提出来研究不同失效准则及材料属性退化准则的影响。然而，许多学者仅仅通过试验模型来研究的是带载螺栓

7、的窜动量。因此用于验证计算孔周应力应变分布的数值有限元模型的实验就显得很有必要。试验数据验证有限元分析带载螺栓窜动量级孔周应力应变分布很有实际意义。本文研究的主要内容是分析试下准则及材料属性退化准则对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板力学行为的影响。选用两套失效及退化准则分析其对钉的位移曲线和孔周应变分布的影响，并与Girardetal得出的试验数据进行对比。问题简述规定复合材料层合板长为L、宽为W、孔径为D、孔与板边缘距离为e，如图一所示。且L=205毫米、W=95毫米、D=16毫米、e=80mm。直径为15.8mm的刚性螺栓放置于孔中，板的一段加载一个大小为P的