螺栓連接復合材料層合板力學建模及失效分析

楊列坤

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

針對當下復合材料構建的發展方向及發展趨勢展開深入分析，可知當前材料設計制造領域更加注重在保證材料各方面性能穩定的前提下，追求結構整體性的提高。但是，由于受到多方面因素的影響，如結構設計、加工工藝、設備維護等，復合結構材料通常仍會選擇機械連接的方式將各個設備結構進行連接。可是相對于普通材料（如金屬材料）而言，復合材料的脆性以及各向異性特征尤為突出，這就導致了其孔邊應力分布相對而言較為復雜。本文重點分析的螺栓連接強度和破壞形勢，在研究的過程中可知，其與螺栓孔的配合精度、緊固件預緊力等因素均有著較為密切的聯系，因此實際的分析工作應綜合考慮以上多種因素。

1 建立有限元模型

1.1 二維模型選擇

在利用ABAQUS 軟件進行實際建模之前，首先應選擇合適的組合板螺栓連接模型。為了使本次分析工作更具有代表性，本次所選擇的模型是一種典型的連接模型，相應模型點圖如圖1所示。其中，字母D、E、W、L 分別表示組合版，螺栓連接模型的孔徑、端距、板塊以及板長[1]。

在針對該模型進行實際的破壞模式分析時，從理論力學和材料力學的角度入手，可知常見的破壞模型分一般有3 種，即拉伸破壞、剪切破壞、擠壓破壞3 種不同的破壞形式[2]。在研究的過程中相關研究因素也各有不同，以常見的擠壓破壞為例，導致該問題產生的主要因素為E、D之比以及W、D 之比，當前者的取值范圍為3～5以及后者的比例為4～8，就會導致擠壓破壞現象的產生。

圖1 組合板螺栓連接模型

1.2 有限元模型的建立

借助ABAQUS 軟件強大的有限元建模功能，在針對不同材料結構進行有限元建模時，可以根據具體的工作和研究需要，選擇工具針對性的有限元單元類型。由于本次分析工作所研究的復合材料層合板結構是一種較為典型的簡單模型，因此無需考慮厚度、相對板長、板塊等這些精度要求較高的因素，相應參數對本次分析工作的影響也相對有限，所以考慮相對簡單的二維模型進行實際的力學建模和分析工作。在確定實際的建模單元之后，結合具體的分析工作需要，即需要進行較為復雜的接觸行為模擬，而以往的分析工作中常見的殼元無法滿足相應模擬工作需要，因此本次分析工作將采用平面應力單元模擬層合板單元，以此為基礎進一步研究層與層之間的實效區域擴展。按照以上思路所建立的有限元模型如圖2 所示。

1.3 失效指標的確定

本次分析工作在選擇復合材料時，為了使得實際的分析工作更具有代表性，同時也為了滿足實際的工作需要，所選擇的復合材料基態為環氧樹脂，因此在進行實際失效分析工作時，所選用的分析方法為較為常用的剛度退化法，以保證實際的模擬過程更加的貼近現實，真實反應復合材料的逐步失效過程。以高度退化法為基礎的失效分析，所選擇的實際判決一般包括以下幾種，即機體拉伸失效、機體壓縮失效、剪切失效、纖維拉伸失效、纖維壓縮失效[3]。在實際實效分析工作進展的過程中，方向數據滿足上述任何一種失效條件是，即可認定失效情況發生。工作人員可以結合實際繼續進行下一步分析工作。

圖2 有限元模型

2 失效分析

2.1 剛性退化方法分析

在時效分析過程中應用高效對話分析方法，可以結合實際工作的需要改變現個參數，因此該方法在應用過程中具有較強的靈活性，本次飛行工作就以將會用到兩種方法為例，對該方法的應用思路進行簡單分析。首先，從剛性的角度進行分析。第1種方法認為，應該忽略拉伸破壞和壓縮破壞之間的具體區別，忽略細微差別，宏觀的認為材料高度退化量是相同的，以減小實際的計算難度，提高分析工作的效率。第2 種方法是應用思路與第1 種思路截然相反，其認為拉伸破壞和壓縮破壞是兩種完全不同的破壞形式，因此其所對應的材料高度退化量，也不可籠統地視為一樣。因為在實際情況下，壓縮破壞相對于拉伸破壞而言，其所保留的高度相對更高。所以，在第1 種剛性退化方法的思路下，將會忽略損傷單元對結構承載的貢獻，進而忽視了結構表面裂紋，所導致的局部應力集中問題。但是針對本次失效分析工作而言，相應的局部應力集中雖然會在一定程度上影響有效高度，但實際影響極小，可以忽略不計。為了保證實際分析工作的精度，可以結合實際工作需要交替使用以上兩種剛性退化思路。

2.2 失效分析

表1 是本次分析工作所設計選擇的層合板尺寸及相關輔助參數，表2 則為兩種剛性退化方法思路下所得的基本數據。

表1 層合板尺寸及相關輔助參數

表2 兩種剛性退化方法思路下計算值與實驗值對比數據

圖3 為不同的D、t 比值數據條件下3 組層合板鋼達到破壞載荷極限時，0 輔層的纖維壓縮失效區域。

通過對3 組對比模型的分析可知，D/t 數值的大小將會直接影響連接效率。就以上3 組數據而言，當D/t=1.7 時，實際的連接效率最好。

圖3 不同條件下纖維壓縮失效區域

3 結束語

綜上所述，首先分析了包括螺栓連接復合材料層在內的材料分析工作，對于促進我國先進制造業發展的重要意義。然后針對復合材料的建模工作，重點探究如何應用有線性分析軟件進行實體建模，包括單元屬性、網格類型的選擇等。在以上分析的基礎上，結合剛性退化方法的研究思路，重點進行了螺栓連接復合材料層合板的失效分析工作。希望通過本次探究工作，為促進相關工作的發展提供一定幫助。