缎纹编织复合材料紧固件拉拔试验及数值模拟.pdf

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1、2017年2月第43卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2017V01．43No．2http：∥bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0137缎纹编织复合材料紧固件拉拔试验及数值模拟边天涯，关志东4，刘发齐(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：缎纹编织复合材料紧固件中螺牙细节尺寸已达到细观尺度量级，若在数值模拟过程中对于螺牙采用统一的材料属性，

2、则不能准确地模拟其真实失效模式。针对此问题，建立的紧固件螺牙有限元模型是由若干层简化缎纹编织复合材料细观结构代表体积单元堆叠而成，如此模型可包含必要的纤维分区和基体分区。对螺牙模型进行拉拔试验模拟，并基于各组分材料的失效判据，实现对紧固件破坏载荷的预报。完成了缎纹编织碳／碳复合材料单螺牙紧固件拉拔试验。模拟失效模式与真实失效模式吻合良好，二者破坏载荷误差为5．17％，验证了有限元模型的合理性。关键词：碳／碳复合材料；紧固件；织物；有限元方法；失效分析中图分类号：V257；TB332文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)02．0311-08编织复合材料是一种新

3、型的结构材料，具有高比强度、高比模量以及可设计性等优良性能，近年来受到工程领域广泛关注，现已作为重要的耐高温结构材料大量应用于航空航天飞行器中。其中编织复合材料紧固件连接技术已越来越得到广泛关注。但是编织复合材料细观结构复杂，对于编织复合材料结构元件的力学行为需要进一步研究。编织复合材料基本力学性能研究过程中，通常选取其中独立重复的代表体积单元(RepresentVolumeElement，RVE)，也称单胞，作为研究对象。目前，国内外已有诸多关于编织复合材料单胞性能研究的有关文献，包括单胞结构的几何建模方法¨⋯，编织复合材料弹性性能预报和力学行为研究阻明以及单胞强度预报Ⅲ

4、。41等。此外，袁辉¨纠对三维四向编织碳／碳复合材料结构元件进行了纵向拉伸性能和、弯曲性能、剪切性能和断裂韧性进行了试验测试。阚晋_吒对缎纹编织碳／碳复合材料板件的面内拉伸强度和离面拉伸强度预报进行了研究。但是针对编织复合材料紧固件的研究尚少，且对于板件的研究方法难以适用于紧固件的计算。其中，Mu等Ⅲo建立了对碳／碳编织复合材料紧固件拉拔试验进行了分析，观察并得到了紧固件中存在层间滑移、碳布面内剪切破坏和纤维束拉断3种破坏模式，并建立紧固件有限元模型进行了对比。Guan等‘18。基于试验观察发现碳／碳复合材料紧固件破坏区域为螺牙根部，并基于锥形短梁理论建立紧固件螺牙理论模型

5、进行了验证。卢子兴等。1圳基于三维Hashin失效准则对C／SiC编织复合材料紧固件拉拔试验进行了有限元模拟，得到了紧固件拉拔强度与螺牙有关几何参数的变化关系。综合上述文献，在单胞研究过程中，单胞数值模型中划分出了纤维和基体区域。但是结构元件数值模型中没有划分出纤维和基体区域，而是统一采用等效计算后的弹性性能参数，并且一般采收稿日期：2016-02-23；录用日期：2016-05．20；网络出版时间：2016-06-2411：08网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160624．1108．002．html$通讯作者：E—m

6、ail：d5062010@163corn引用格式：边天涯，关志东，刘发齐．缎纹编织复合材料紧厨佯拉拨试验及数值模拟Ⅳj．北京航空航天大学学报，2017，43化)：3jj一318．BIANTY．GUANZD，LIUFQ．TensiletestandnumericalsimulationforsatinweavecompositefastenerfJJ，JournalofBeltingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(2)：311-318(inChinese)．312北京航空航天大学学报2017年用跨尺度计算方法进行失

7、效分析。该种方法通常适用于板件以及大型元件的研究，但是对于紧固件，由于其螺牙的尺寸与单胞的尺寸处于同一量级，因而需要对紧固件模型进行纤维和基体区域的划分以进行深入研究。本文作者针对碳／碳缎纹编织复合材料紧固件，建立简化单胞结构组成的螺牙有限元模型模拟紧固件拉拔破坏过程，进行了紧固件拉拔试验，分析了试件破坏模式，验证了有限元模型的有效性。1试件基本属性本文所研究的单螺牙紧固件(试验件)细观结构为缎纹编织，其单胞结构由8根经向纤维束和8根纬向纤维束交织成的纤维布、穿刺纤维束以及周围的基体组成，如图1所示，该图中并未显示