复合材料仿骨缝齿接结构建模与力学特性分析

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1、2016年12月北京航空航天大学学报December2016第42卷第12期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．12http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015。0772复合材料仿骨缝齿接结构建模与力学特性分析毛伟1，王文智1一，何利军1，张超2(1．西北工业大学航空学院，西安710072；2．阿克伦大学工程学院，阿克伦44325)摘要：针对复合材料仿骨缝齿接结构模型表述复杂性问题，基于MATLAB与Py

2、—thon语言对有限元分析软件ABAQUS进行二次开发，提出了复合材料齿接结构的参数化构建方法。并以此为基础，初步研究了齿顶角、基线类型、层级与结构力学性能之间的关系。研究结果表明，在拉伸载荷作用下，具有小齿顶角度、复杂基线特性、高层级特性的齿接结构可以表现出更好的力学性能。通过本文工作，实现了齿接结构的参数化构建，初步揭示了齿接结构承载能力、损伤机理和几何形貌之间的关系。关键词：仿骨缝齿接结构；参数化建模；有限元模型；复合材料；内聚力单元中图分类号：V258+．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)12．2762加7复合材料结构在使用过程中，需在复合材料．复合材料结构或复

3、合材料一金属结构间使用连接结构。传统机械连接结构通常采用刚度与强度较大的钛合金连接件，其自身热、力学性能与复合材料本身有着较大差异，由于开孔与连接件性能匹配问题，承载时会在连接区域产生应力集中现象¨。；且在连接件安装过程中，对复合材料结构的钻孔加工会产生结构初始损伤，进一步恶化结构的承载能力，最终导致灾难性后果。在生物界，同样存在着类似复合材料结构的连接问题。以骨制结构为例，其由钙质与胶原纤维按照特定排布规律构成，同样具备高比刚度、比强度等优异力学性能。当2块骨质结构相连接时，并未采用工业复合材料结构的“硬”连接方法，而是通过生物结构中的骨缝齿接界面心。43这样特殊的几何齿接构型进行连接，从

4、而获得了良好的连接与承载特性。该类连接结构在生物力学层面所表现出的优异性能，引起了包括力学界在内的研究人员广泛关注。研究表明，对于骨缝连接机制，其齿接构件的几何、材料性能，齿间界面的承载、破坏特性以及层级数量等参数都会影响连接结构自身的力学性能"。10

5、。Jasinoski等⋯1从工程应用方面研究了胶层界面属性及齿顶角度对齿接结构应力分布的影响；Boyce和Li¨2‘14o等则对自然齿接结构胶层界面几何外形与基本力学性能的相互作用机理进行了一系列研究。然而对于结构参数与其力学性能间的联系及其在复合材料连接上的应用鲜有文献报道。仿生齿接结构模型的参数化表述是研究该类连接结构失效机制的基础，由于

6、结构层级、几何结构参数的复杂性，传统手工建模手段已不再适应。本文以几种典型骨缝齿接构型为研究对象，基于分形几何理论，构建骨缝齿接构型参数化表述方法；通过Python语言对ABAQUS进行二次开发，完成骨缝齿接结构的数值模型建立，并对复合材料齿接结构在拉伸条件下的力学特性进行了研究。收稿日期：2015-11-23；录用日期：2016-01-08；网络出版时间：2016-01-2815：15网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160128．1515．002．html基金项目：国家自然科学基金(11502205)}通讯作者：Tel．：029-88

7、494855E-mail：wangwenzhi@nwpu．edu．cn昏用捂式：毛伟，I文智，伺利军，等．复合材料债骨缝齿接结构建模s力学特性分析ej]．北京航空航天大学学报．2016．42(12)：2762—2768·MAOW，WANGWZ，HELj，e￡al。Modelingandmachanicalpropertiesofc。mp。sirebionicsulurejoimstruc￡uresfJJ·Joufn“。fBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(12)：2762．2768(inChinese)．第12期毛伟，等

8、：复合材料仿骨缝齿接结构建模与力学特性分析2763——————————————————————————————————————————————————一骨缝齿接结构参数化建模1．1几何外形参数描述典型三角骨缝齿接结构如图I(a)所示，齿顶角度与齿高等参数决定了其几何构型；对于单级多齿结构，如图1(b)～图l(d)所示，齿接基线(直线、正弦曲线)也会影响几何构型；图I(e)为多层级齿接结构。由此可见，对于齿接结