一種復(fù)合材料機(jī)械連接數(shù)值分析方法的研究

胡海威

摘 要：該文采用基于Weibull分布的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷模型，編制了三維VUMAT子程序，并采用ABAQUS/Explicit模塊，對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接進(jìn)行了數(shù)值建模分析。通過(guò)建立復(fù)合材料單釘連接和雙釘連接兩個(gè)數(shù)值模型，對(duì)數(shù)值分析方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接的損傷模式進(jìn)行了分析。研究表明，基于動(dòng)態(tài)顯示的求解方法也可以準(zhǔn)確地模擬復(fù)合材料機(jī)械連接問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 機(jī)械連接 動(dòng)態(tài)顯示 數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：V214.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（a）-0038-03

機(jī)械連接具有安全、可靠、傳遞載荷大和耐環(huán)境影響等突出優(yōu)點(diǎn)，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最常用的連接形式[1]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接的研究主要是數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[2]。試驗(yàn)研究是當(dāng)前最常用的研究方法，但無(wú)法獲取復(fù)合材料中各鋪層的應(yīng)力及損傷等信息。而數(shù)值摸擬具有高度的可視化和可操作性，建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型可彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足，為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提供參考。當(dāng)前對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接的數(shù)值模擬研究主要是基于ABAQUS建立復(fù)合材料機(jī)械連接的二維[3]或三維數(shù)值模型[4]探討數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，并通過(guò)調(diào)整連接的相關(guān)參數(shù)，分析不同參數(shù)對(duì)連接結(jié)構(gòu)的影響[2]。這些模型大都是基于ABAQUS/Standard建立的，這種模型通常計(jì)算成本較高，且當(dāng)局部發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，容易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。ABAQUS/Explicit通常用于分析沖擊、爆炸等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，能高效地分析非線性大變形問(wèn)題。因此，該文將研究一種基于ABAQUS/Explicit模塊探討復(fù)合材料機(jī)械連接的數(shù)值分析方法。

1 數(shù)值建模

該文采用基于Webull分布的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷模型，編制了VUMAT用戶自定義材料子程序。采用ABAQUS/CAE，建立了基于ABAQUS/Explicit的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸復(fù)合材料螺栓連接數(shù)值模型，包括單釘搭接和雙釘搭接兩個(gè)數(shù)模。模型均由兩塊相同的復(fù)合材料開(kāi)孔板和簡(jiǎn)化的螺栓裝配而成。參考陳詳忠[5]的試驗(yàn)情況，數(shù)模尺寸如圖1所示。復(fù)合材料板鋪層方式均為[45/-45/0/90]s，單層厚0.225 mm。

考慮到夾持端為非考核區(qū)，這里將模型的夾持端簡(jiǎn)化成了剛體，所有單元均采用C3D8R單元。螺栓與復(fù)合材料板之間均采用通用硬接觸，摩擦系數(shù)0.15。模型一端固支，對(duì)另一端沿軸向施加從0～1 mm線性均勻增加的位移載荷。對(duì)于給定的模型，ABAQUS/Explicit的最小分析步長(zhǎng)是一致的。因此，用ABAQUS/Explicit求解時(shí)，設(shè)定的加載時(shí)間越短，計(jì)算效率越高。但是加載時(shí)間過(guò)短，當(dāng)接近結(jié)構(gòu)的固有振型頻率時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng)，此時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸計(jì)算結(jié)果是無(wú)效的。對(duì)于上面兩個(gè)模型，當(dāng)設(shè)定的加載時(shí)間為0.01 s時(shí)，均可獲得較為平滑的載荷-位移曲線。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果驗(yàn)證

圖2為通過(guò)計(jì)算所得的載荷-位移曲線。單釘連接和雙釘連接模型的載荷均隨著位移的增加而線性增加，但雙釘連接模型的載荷-位移曲線的斜率明顯大于單釘連接模型。說(shuō)明雙釘連接接的連接剛度大于單釘連接。當(dāng)接近極限載荷時(shí)，載荷-位移曲線會(huì)出現(xiàn)一定波動(dòng)，這主要是由孔邊的擠壓破壞引起的。之后載荷急劇下降，代表釘孔徹底擠壓失效。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，表1中分別給出了通過(guò)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)得的極限載荷和極限強(qiáng)度。從表1中可以看出，單釘連接模型的計(jì)算正好位于試驗(yàn)結(jié)果的范圍之內(nèi)，而雙釘連接模型計(jì)算結(jié)果僅為試驗(yàn)結(jié)果最小值的70%。相對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值計(jì)算結(jié)果整體偏低，但單釘連接模型準(zhǔn)確度高于雙釘連接模型。這主要是因?yàn)榇罱拥臉O限強(qiáng)度受螺栓預(yù)緊力影響較大，適當(dāng)增加螺栓預(yù)緊力大為可提高復(fù)合材料連接的極限強(qiáng)度，尤其是雙釘連接[6]而該文模擬的是0預(yù)緊力的情況。

2.2 損傷分析

圖3給出了單釘和雙釘連接的孔邊損傷示意圖。單釘和雙釘連接孔邊位于擠壓一側(cè)的單元基本已被全部刪除，即這些單元在加載過(guò)程中已經(jīng)徹底失效，釘孔遭受擠壓破壞。對(duì)于雙釘連接，兩個(gè)螺栓傳遞的釘載是相同的。但通過(guò)圖中的損傷情況可以看出，同一塊板上的兩個(gè)孔所承擔(dān)的載荷并不相等，其靠近根部的孔承受的載荷大于靠近端部的孔，在加載過(guò)程中靠近根部孔邊提前失效。

3 結(jié)語(yǔ)

該文采用數(shù)值分析方法對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接問(wèn)題進(jìn)行了研究，并得出如下結(jié)論。

（1）通過(guò)施加從0開(kāi)始均勻連續(xù)變化的載荷，基于動(dòng)態(tài)顯示的ABAQUS/Explicit模塊也可用于分析準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題。

（2）對(duì)于復(fù)合材料機(jī)械連接問(wèn)題，在同樣的鋪層和厚度下，雙釘連接的連接剛度要大于單釘連接。

（3）對(duì)于雙釘連接，同一塊板上的兩孔所承受的載荷并不相等，接近根部的釘孔所承受的載荷較大。

參考文獻(xiàn)

[1] 王芳，趙美英，萬(wàn)小朋.復(fù)合材料層壓板機(jī)械連接失效分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，7（23）：40-43.

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[6] 王花娟，楊杰，劉興東，等.復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度影響因素的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017，21（F11）：438-440.