接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟

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1、复合材料学报第３０卷第６期１２月２０１３年ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓｉｔａｅＳｉｎｉｃａＶｏｌ．３０Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１３文章编号：１０００－３８５１（２０１３）０６－０１９１－０６接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟章继峰＊１，谢永刚２，张璐１（１．哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，智能结构与先进复合材料实验室，哈尔滨１５０００１；２．湖北航天飞行器研究所，武汉４３００４０）摘要：采用真空辅助成型工艺（ＶＡＲＩ）制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件，通过

2、试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题，运用ＡＢＡＱＵＳ的显示分析算法及所编写用户材料子程序ＶＵＭＡＴ对连接件进行了三维渐进失效模拟，同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致，验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明，不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大，设置［０／９０／０／９０］Ｓ铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。关键词：复合材料层合板；螺

3、栓连接；接头局部增强；显式分析；数值模拟中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＢ３３０．１文献标志码：ＡＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｌｏｃａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ＊１，ＸＩＥＹｏｎｇｇａｎｇ２，ＺＨＡＮＧＬｕ１ＺＨＡＮＧＪｉｆｅｎｇ（１．ＳｍａｒｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅ

4、ｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｂｅｉＡｅｒｏｓｐａｃｅＦｌｉｇｈｔＶｅｈｉｃｌｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ４３００４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｌｏｃａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｖａｃｕｕｍａｓｓｉｓｔｅｄｒｅｓｉｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ（ＶＡＲＩ）．Ｔｈ

5、ｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗａｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｂｏｌｔｅｄｏｆｓｔａｔｉｃｔｅｎｓｉｌｅｗａｓｄｅｅｍｅｄｔｏａｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃｐｒｏｂｌｅｍ．ＡｎｅｘｐｌｉｃｉｔｄｙｎａｍｉｃｓｏｌｖｅｒａｎｄＡＢＡＱＵＳｕｓｅｒｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅＶＵＭＡＴｗｅｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅ３Ｄｐｒ

6、ｏｇｒｅｓｓｉｖｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓ．Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｗａｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｄｕｓｉｎｇａｃｏｈｅｓｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔｌａｙｅｒｂｅｔｗｅｅｎｌａｍｉｎａｔｅｓａｎｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌａｙｅｒ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎｇｏｏｄｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｆｅａｓ

7、ｉｂｌｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｃａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓａｆｆｅｃｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌａｍｉｎａｔｅｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌａｍｉｎａｔｅｓａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ［０／９０／０／９０］Ｓｉｎｔｅｒｎａｌｆｉｂｅｒｌａｙｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔ

8、ｅｌａｍｉｎａｔｅｓ；ｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓ；ｊｏｉｎｔｌｏｃａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｅｘｐｌｉｃｉｔｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ连接技术是结构复合材料应用过程中必须面对低连接性能。国内外学者对复合材料螺栓连接的应的课题，据统计复合材料的失效７０％发生在连接力分布、连接强度以及破坏模式进行了广泛而深入［１－２］处，航空复合材料３０％的质量是由于连接产生的。的研究。Ｃｈｉｓｈｔｉ等研究了沉头钉单搭接中预紧机械螺栓连接具