基于连续损伤力学的复合材料单剪螺栓连接强度估算策略

针对中国缺少T800级复合材料螺栓连接设计参数的问题,发展一种综合连续损伤力学（CDM）和工程算法的单剪连接强度估算策略,以替代试验,降低研究周期和成本。在该强度估算策略中,首先建立试件的CDM有限元模型,通过数值模拟得到单剪螺栓连接的设计参数,包括单剪挤压强度修正系数、无缺口层合板拉伸强度和应力集中减缓因子等。随后根据上述参数,建立工程算法,估算复合材料单剪螺栓连接的最终挤压强度。结果表明:通过该策略得到的T800级复合材料螺栓连接设计参数和强度估算结果与试验结果有较好的一致性,说明该强度估算策略的可行性。      

T800碳纤维增强复合材料双剪单钉连接的拉伸试验及强度估算

为系统地研究T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的力学性能,首先,对T800碳纤维增强复合材料双剪单钉连接进行了面内准静态拉伸试验,探讨了铺层比例、铺层顺序、螺栓直径以及固化工艺对复合材料螺栓连接刚度和2%偏移挤压强度的影响;然后,根据试验结果得到了T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的应力集中减缓因子;最后,结合相应铺层比例的无缺口层合板的应力集中减缓因子和拉伸强度,建立了复合材料连接最终挤压强度的工程算法。结果表明:当螺栓断裂时,连接的最终挤压强度由螺栓剪切强度和螺栓直径/板厚比决定;连接存在挤压和剪切2种失效形式,与±45°铺层比例有关;工程算法的计算结果与试验结果吻合良好。所得试验结果和工程算法可为T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的初步设计提供理论依据和技术支持。      

复合材料多钉斜削搭接连接强度预测与累积损伤研究

该文基于三维逐渐损伤理论,采用ANSYS的二次开发语言,建立了复合材料层合板多钉斜削搭接结构的三维有限元模型,考虑接触状态非线性和累积损伤过程非线性,并用牛顿-拉普森非线性迭代算法,对复合材料多钉斜削搭接结构从初始失效到最终失效的过程进行可视化模拟并对其连接强度进行了研究;数值模拟计算结果与文献结果进行比较,验证了本模型的正确性。分析结果得到:斜削程度不同、几何尺寸不同,连接结构的失效扩展过程不同;并且不同铺层失效形式不同;在一定程度上,随着斜削程度的降低,优化了钉载分配,初始失效载荷和最终失效载荷有所升高,提高了连接效率。     

制造公差对复合材料螺栓连接结构强度分散性的影响

为解决由于螺栓和复合材料板制孔制造过程中不可避免的制造公差引起的配合间隙的不同,而使复合材料螺栓连接钉载分配不同,从而导致螺栓连接强度分散性的问题,以英制高锁螺栓和孔板制孔的制造公差为例,研究不同配合间隙下双剪四钉螺栓连接钉载分配情况,并进一步采用改进的特征曲线法、改进的强度包线法和渐进损伤模型对螺栓连接结构的强度进行预测,得到四钉连接失效强度的分散区间分别为[-3.87%,2.16%]、[-4.01%,3.95%]和[-3.16%,5.14%]。结果说明如果紧固件及螺栓孔均符合制造标准,则其对强度的影响范围不超过6%。     

复合材料π接头拉伸力学性能的试验和计算研究

采用试验和数值模拟的方法对整体化复合材料π接头在拉伸载荷作用下的力学特性进行研究.在Instron 8803电液伺服材料试验机上进行了π接头试验件的拉伸试验,记录试验过程中损伤产生及破坏过程,记录初始失效载荷和最终失效载荷.试验结果表明,填料是π接头破坏的关键部位,需要进行深入研究.提出了复合材料π接头力学性能数值模拟的基本假设和方法,基于通用有限元商用软件,建立π接头三维力学分析模型,获得π接头各部位应力分布情况;基于基本假设,对最大应力失效准则进行修正,并给出π接头各部位损伤载荷的预测值.计算预测π接头的初始损伤部位与试验吻合,初始失效载荷计算值与5个试件试验数据均值相比误差为0.53%,表明了数值分析方法的可行性.     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

复合材料连续损伤力学模型在螺栓接头渐进失效预测中的应用

提出考虑层合板面内(纤维和基体失效)和层间失效的复合材料连续损伤力学模型,对螺栓接头的渐进失效行为进行预测。基于Tsai-Wu强度准则,发展可以判定复合材料面内和层间失效的强度准则。采用幂指数衰减材料退化模型模拟复合材料的损伤扩展过程。建立连续损伤力学模型用以研究0°铺层比例和螺栓直径对复合材料螺栓接头挤压性能的影响,预测结果与实验结果吻合。结果表明:0°铺层比例过高,接头发生剪切破坏,降低连接结构承载能力;增大螺栓直径,层合板损伤受到抑制,可提高复合材料螺栓接头的挤压强度。      

纤维束波动效应对平纹编织复合材料损伤行为的影响

平纹编织复合材料中纤维束波动效应会引起随动材料主方向变化及面外剪切应力集中,为了研究其对平纹编织复合材料力学性能及损伤行为的影响,提出改进的像素法细观有限元单胞模型。模型根据纤维束波动曲线定义了材料主方向的变化,采用Hashin准则模拟纤维束的损伤起始,并引入剪切修正因子考虑面外剪切应力对面内拉伸损伤的影响。模型可以预测平纹编织复合材料的面内拉伸强度和损伤演化过程,结果表明:纤维束材料主方向波动会引起平纹编织复合材料面内拉伸强度下降;面外剪切应力集中是导致复合材料最终失效的主要原因,且随着剪切修正因子增大,复合材料面内拉伸强度显著降低;纤维束材料主方向波动和面外剪切应力集中均对平纹编织复合材料的损伤行为和破坏机理产生了影响,需要在数值分析中对其进行准确描述。      

CFRP复合材料螺栓连接失效载荷不确定性的评估方法

螺栓连接是先进复合材料结构的薄弱环节。因此,螺栓连接力学性能显著的不确定性不仅阻碍了先进复合材料的高效应用,且给整体结构的安全性和可靠性带来威胁。为定量评估碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性,将数值的渐进损伤模型和区间分析方法结合,提出了一种高效、准确的分析方法。采用该方法预测了典型T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性,并与试验结果进行对比。预测结果与试验结果的误差不超过2%,证明本文所提出方法的有效性。采用本文所提方法预测的T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的区间为[19.25 kN, 22.75 kN],与设计期望值的偏差为[?9.8%, 6.6%]。      

湿热环境对CFRP复合材料-铝合金螺栓连接结构静力失效的影响

湿热环境对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料-铝合金螺栓连接结构失效的显著影响给整体结构带来了安全隐患。为准确评估湿热环境对混合螺栓连接静力失效的影响，基于复合材料渐进损伤模型及金属韧性断裂准则，建立了考虑湿热效应的复合材料-金属螺栓连接静力失效预测模型。采用该模型预测了CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构在23℃干态、70℃平衡吸湿状态下的静强度和失效模式，与试验结果吻合良好，验证了模型的有效性。在此基础上，进一步揭示了不同湿热工况对CFRP复合材料-铝合金单钉双剪、多钉双剪连接结构静力拉伸失效的影响规律。结果表明:相比于23℃干态条件，23℃平衡吸湿条件、70℃干态条件和70℃平衡吸湿条件下CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构的失效载荷分别下降了4.5%、7.2%和13.9%；高温是导致湿热环境中CFRP复合材料层板损伤区域增大的主要因素；随着螺栓数目的增加，70℃平衡吸湿状态时连接结构静强度相比于23℃干态的下降幅度逐渐降低。      

Hybrid titanium–CFRP laminates for high-performance bolted joints

This paper presents an experimental and numerical investigation of the mechanical response of bolted joints manufactured using new hybrid composite laminates based on the substitution of CFRP plies with titanium plies. The local hybridization of the material is proposed to increase the efficiency of the bolted joints in CFRP structures. Two modeling strategies, based on non-linear finite element methods, are proposed for the analysis of the bolt-bearing and transition regions of the hybrid laminates. The bolt-bearing region is simulated using a three-dimensional finite element model that predicts ply failure mechanisms, whereas the free-edge of the transition region is simulated using plane stress and cohesive elements. The numerical and experimental results indicate that the use of hybrid composites can drastically increase the strength of CFRP bolted joints and therefore increase the efficiency of this type of connection. In addition, the numerical models proposed are able to predict the failure mechanisms and the strength of hybrid composite laminates with a good accuracy.     

Optimum bolted joints for hybrid composite materials

The optimum bolted joints for hybrid composite materials composed of glass-epoxy and carbon-epoxy under tensile loading were investigated. The design parameters considered for the bolted joints were ply angle, stacking sequence, the ratio of glass-epoxy to carbon-epoxy, the outer diameters of washers and the clamping pressure. As bearing failure was desirable for bolted joints, the geometry of the bolted joint specimen was designed to undergo bearing failure only.

By inspecting the fracture surfaces of the specimens it was found that delamination on the loaded periphery of the holes and extensive damage on the edge region constrained by a washer occurred. To assess the delamination of the hybrid composite materials, three-dimensional stress analysis of the bolted joint was performed using a commercial finite-element software and compared with the experimental results.     

分析复合材料螺栓连接接头静强度的一种方法

根据复合材料机械连接区逐点逐层破坏的物理本质,采用了每层破坏单元刚度退化和应力空间二阶张量破坏准则,用有限元素法,计算了T300/648碳纤维复合材料21种不同铺层情况的接头强度,分析了它们的破坏模式和破坏过程并与试验结果进行了比较.      

Static and high-rate loading of single and multi-bolt carbon–epoxy aircraft fuselage joints

Single-lap shear behaviour of carbon–epoxy composite bolted aircraft fuselage joints at quasi-static and dynamic (5 m/s and 10 m/s) loading speeds is studied experimentally. Single and multi-bolt joints with countersunk fasteners were tested. The initial joint failure mode was bearing, while final failure was either due to fastener pull-through or fastener fracture at a thread. Much less hole bearing damage, and hence energy absorption, occurred when the fastener(s) fractured at a thread, which occurred most frequently in thick joints and in quasi-static tests. Fastener failure thus requires special consideration in designing crashworthy fastened composite structures; if it can be delayed, energy absorption is greater. A correlation between energy absorption in multi-bolt and single-bolt joint tests indicates potential to downsize future test programmes. Tapering a thin fuselage panel layup to a thicker layup at the countersunk hole proved highly effective in achieving satisfactory joint strength and energy absorption.     

A global bolted joint model for finite element analysis of load distributions in multi-bolt composite joints

This paper presents the development and validation of a global bolted joint model (GBJM), a highly efficient modelling strategy for bolted composite joints. Shell elements are used to model the composite laminates and the bolt is represented by a combination of beam elements coupled to rigid contact surfaces. The GBJM can capture effects such as bolt–hole clearance, bolt-torque, friction between laminates, secondary and tertiary bending in the laminates as well as the load distribution in multi-bolt joints. The GBJM is validated using both three-dimensional finite element models and experiments on both single- and multi-bolt joints. The GBJM was found to be robust, accurate and highly efficient, with time savings of up to 97% realised over full three-dimensional finite element models.