基于三维模型的复合材料层合板单钉螺栓连接件力学性能分析

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1、基于三维模型的复合材料层合板单钉螺栓连接件力学性能分析宰AnalysisonMechanicalPropertyofSingle-boltedCompositesLaminateBasedonThree．DimensionalModd西北工业大学力学与土木建筑学院王富生岳珠峰陕西地方电力监理有限公司张红运【摘要】在给定位移栽荷作用下，基于复合材料层合板单钉螺栓连接三维有限元模型，通过编写材料失效准则和刚度退化规则的ABAQUS用户子程序UMAT。实现了未考虑预紧力时配合间隙、开孔形状以及采用不同螺栓材料时预紧力对连接件力学

2、性能影响分析。关键词：层合板螺栓连接配合间隙开孔形状预紧力损伤IABSTRACT】UnderthegivendisplacementloadandbasedOilthethree—dimensionalFEmodelofsingle—boltedcompositeslaminate，factorsinfluencingonthemechanicalpropertiesareanalyzedsuchastheclearancebetweenboltandtheholeandtheholeshapewhenpre—tighte

3、ningforceisn’ttakenintoaccountandpretighten-ingforcewhenthedifferentboltmaterialWaSselectedbyimplementingthematerialfailurecriterionandpropertydegradationrulesintotheusermaterialprogramUMATinABAQUSsoftware．Keywords：BoltedjointofcompositeslaminateClearancebetweenbo

4、ltandholeHoleshapePre-tighteningforceFailure采用不同的失效准则及其相应的刚度退化模型的二维有限元分析技术已广泛应用于复合材料连接件损伤的数值模拟中【l卅，虽然其可以节省计算量，但不能考虑铺层顺序和预紧力等因素对螺栓强度的影响。三维有限元分析技术可以弥补这一点，如K．I．Tserpes等【5】采用三维有限元模型分析了失效准则和刚度退化模型对不同几何尺寸和铺层下单搭接层合板单钉螺栓连接力学性能的影响；王丹勇等161采用三维有限元模型发展了双搭接层合板单钉螺栓连接静拉伸逐级损伤模型，分

5、·国防科技工业技术基础科研项目(Z1420068001)，西北工业大学博士点基金项目(N6CJ0001)。析了不同损伤模式及其相关性；G．Kretsis等人p】和P．P．Camanho等人【81采用三维有限元模型对层合板螺栓连接接头损伤进行预测时，考虑了螺栓预紧力的影响。本课题在三维有限元分析的基础上，研究了未考虑螺栓预紧力时配合间隙和开孔形状对一般铺层复合材料连接件力学性能的影响；同时，针对不同螺栓材料研究了螺栓预紧力对一般铺层复合材料连接件力学性能的影响。虽然文献【9一11】也有相关研究，但其均未考虑复合材料铺层的损伤

6、失效因素。1损伤模拟方法及实现复合材料层合板在拉伸载荷作用下存在不同失效模式，Hashintl21于1980年提出了三维应力状态下的层合板分段失效判据，其形式如下。纤维断裂orll≥0：(詈)2+(嚣)2+(嚣)2=t。一iO'll=1。(2)X，o＼二)拉伸基体断裂or矿盯33≥0：(鼍产)2+(专)心一％∞，)邯TIl2，2’12飞TI川312=-。(3)鲁+堡2S；／黪G：l(计入非线性剪切砰。12+3於三‘”⋯”’一“1”影响)。压缩基体失效or控+矿33<0：专㈣2一l卜州等)‘。㈣+专心一％幻，)+、％712，

7、12+TI～3／2=l拉伸分层失效矿33>o：(詈)2+(嚣)2+(蚤)2=·。压缩分层失效旷，，<0：(嚣)2T2～32=·。上式中，字母下标1为纤维方向、2为横向方向、3为厚度方向，Ⅸ、五分别为纤维方向拉伸和压缩强度，E、L为横向方向拉伸和压缩强度，S：、墨：、岛，分别为单个铺层面内剪切强度、横向剪切强度。刚度降方法如下n3)：(1)纤维拉伸或压缩破坏，仅E。、GmGmv。，和V。：退化到O；(2)基体拉伸或压缩破坏，仅最、G2，、G。2、屹3和’，。2退化到O：(3)拉伸或压缩分层，仅己、G2，、Gmv2，和¨，退化

8、到0。采用Solid单元可以对复合材料所有损伤形式进行模拟，在ABAQUS软件中编制UMAT材料子程序来定义实体单元上的材料力学行为，在计算每一载荷步时更新雅可比矩阵DDSDDE，从而可以实现复合材料实体单元的损伤力学行为的数值模拟，对于每一载荷步长采用标准Newton—Raphson方法进行逐步迭代。