复合材料机械连接件的三维累积损伤研究

利用ABAQUS中的UMAT模块计算螺栓连接的三维累积损伤问题。采用最大应力准则、Hashin准则以及它们的混合准则三种损伤失效准则,并结合Tan提出的刚度降模型,对复合材料层合板机械连接件进行三维累积损伤模拟,同时考虑连接件是否受刚性的影响,最后将预测结果与试验值进行对比。结果表明,最大应力准则适用于拉伸破坏为主的连接结构,Hashin准则适用于剪切破坏占主导的连接结构。紧固件的刚度大小只影响连接结构的刚度,对失效强度的影响可以忽略不计。     

碳/碳编织复合材料连接结构的拉脱性能分析

对碳/碳(C/C)编织复合材料沉头螺栓与凸头螺栓连接结构在面外载荷下的拉脱强度进行试验和数值研究。测试不同螺栓形式及沉头角度的C/C编织复合材料螺栓连接结构在面外载荷下的失效模式和拉脱性能。结果显示,螺栓形式对结构的拉脱性能有显著的影响,凸头螺栓的载荷位移曲线有明显的线性阶段,接近于脆性失效,沉头螺栓的载荷位移曲线为非线性,表现为双峰值,其更接近于塑性失效。采用ABAQUS建立了基于Hashin失效准则的连接结构非线性接触模型,有效预报了C/C编织复合材料连接结构的失效模式及载荷-位移曲线。得到C/C编织复合材料连接结构渐近损伤过程及失效机理,给出连接参数(螺栓形式、沉头角度和约束面积)对拉脱失效的影响机制。随着沉头螺栓角度的增加,结构的拉脱失效载荷先增加,后降低,在110°附近达到极值,约束区域尺寸变化导致凸头螺栓的失效模式由剪切失效转变为弯曲失效。     

累积损伤方法估算复合材料多钉连接强度

建立了分析复合材料多钉连接结构的三维有限元模型,针对多钉连接计算过程中接触状态非线性和累积损伤过程非线性造成的计算成本大和难收敛的问题,本文提出利用显式算法对多钉连接件的拉伸过程进行求解,分析多钉连接件在拉力载荷作用下的损伤演化过程,实现了对复合材料层合板机械连接结构整个承载过程的数值仿真模拟,同时进行了复合材料层合板多钉连接件的双剪拉伸试验。对比数值计算与试验结果发现,利用子程序结合显式算法计算得到的复合材料多钉连接强度值与试验相比,误差最大不超过7%。     

CFRP连接孔几何误差对螺栓连接结构拉伸强度的影响规律研究

针对CFRP沉头螺栓连接孔制孔几何误差对连接结构拉伸强度的影响规律开展了相关研究。为了更为准确预测连接结构的应力变化情况,首先基于准静态试验建立了TC4ELI钛合金的本构模型,并基于Hashin失效准则以及界面的双线性本构建立了复合材料模型,在此基础上形成了复合材料沉头螺栓连接结构的有限元模型,并针对3个主要的制孔误差对连接结构力学性能的影响进行了数值模拟以及实验验证。研究结果表明所建立的有限元模型能够较为准确地预测连接结构失效形式以及拉伸强度。其次,相较于沉头角度以及倒角半径误差,沉头深度几何误差对最终连接结构最大应力值的影响最为显著,同时锪窝孔尺寸上下偏差对连接结构拉伸性能的影响具有较为明显的差异性。     

搭接长度对平纹机织复合材料胶接结构连接性能影响的多尺度分析

针对平纹机织复合材料层合板,首先基于均匀化方法确定细观模型的性能参数,其次采用Hashin准则分析细观模型损伤过程,最后引入连续损伤力学模型和内聚力模型建立层合板胶接结构宏观模型。研究结果表明,平纹机织复合材料层合板的数值曲线与试验结果吻合较好,验证多尺度模型的有效性;搭接长度在5~15 mm时,随着搭接长度的增大,单搭和双搭胶接结构的极限失效载荷逐渐增大,并趋于稳定,而搭接剪切强度逐渐减小;单搭和双搭胶接结构的失效形式随着搭接长度的增大逐渐由胶层剪切失效过渡到层间分层失效;相同搭接长度下,与单搭胶接结构相比,双搭结构的极限失效载荷较大。基于均匀化方法、Hashin失效准则、内聚力模型和连续损伤力学模型,提出一种平纹机织复合材料多尺度模型,对结构性能设计和使用寿命具有重要意义。     

不同胶接参数对CFRP层合板单搭胶接结构强度的影响及优化设计

对于碳纤维增强基复合材料(Carbon fibre-reinforced polymer,CFRP)层合板单搭胶接结构的优化问题,首先利用连续损伤力学模型、三维Hashin准则和内聚力模型研究不同胶接参数对CFRP层压板单搭胶接结构力学性能的影响,其次采用拉丁超立方试验设计方法和响应面法构建了拉伸强度代理模型,最后基于遗传算法和代理模型进行联合优化.结果 表明,仿真与试验吻合较好,数值结果与试验结果的误差均低于10％,验证了有限元模型的精确性.随着搭接长度的增大,拉伸强度和层合板层间分层损伤程度逐渐增大,剪切强度和胶层自身剪切失效程度逐渐减小;胶接结构的力学性能及失效形式随着铺层方式的不同而改变.最佳铺层顺序、胶接长度、胶层厚度和搭接宽度分别为[03/903]2s、20 mm、0.0607 mm和10 mm.与常规单搭胶接结构相比,拉伸强度和剪切强度分别提高了25.92％和25.88％.采用遗传算法对CFRP层合板单搭胶接结构进行优化,对提高单搭接接头的力学性能具有重要意义.     

板厚对单钉单剪复合材料接头挤压强度和次弯曲效应的影响分析

接头设计是飞机、汽车和舰船等复合材料结构工程应用的重要内容。针对易发生次弯曲效应的复合材料单钉单剪机械接头,建立含沉头螺栓的机械接头有限元模型,在试验验证模型有效性的基础上,分析对比了层合板厚度对接头挤压失效和次弯曲的影响。发现了薄层合板接头的挤压失效载荷与厚层合板接头的挤压失效载荷相近。同时,在发生挤压失效时,出现了薄层合板接头的次弯曲现象没有厚层合板接头的次弯曲现象严重的现象。考虑到工程中机械接头一般设计为挤压失效模式,本研究所发现的接头失效特征可为工程结构充分发挥复合材料的减重潜力提供一定建议。     

含预埋件层合板螺栓连接结构剪切性能的试验研究

层合板螺栓连接的设计是结构设计过程中必不可少的重要环节,为对比分析含预埋件层合板螺栓连接结构与无预埋件层合板螺栓连接结构剪切性能的差异,以及含不同预埋件层合板螺栓连接结构剪切性能的优略,根据ASTM D-5961标准设计相应的试验件,进行不同层合板螺栓连接结构剪切性能测试。结果表明:含预埋件的连接结构的承载能力较强,尤其是钢板预埋件的连接结构,其承载能力约为其他两种连接形式的2倍;含套筒预埋件层合板螺栓连接结构的强度数值偏差最小,即性能更稳定。     

复合材料两钉斜削搭接接头钉载分配与连接强度研究

针对复合材料层合板与斜削金属材料板双搭两钉连接接头,基于有限元分析软件ANSYS技术平台,对7种不同几何参数的连接接头钉载比例进行计算分析,探讨螺栓直径配置及金属板厚度对钉载分配的影响。结果表明,降低靠近层合板加载端螺栓直径有助于改善钉载分配,而提高或降低远离加载端的螺栓直径均无益改善钉载分配,降低接头金属连接板非斜削端厚度有助于优化钉载分配;另对上述接头中等直径螺栓连接的斜削形式和等厚度搭接形式接头进行的损伤累积仿真模拟及静拉伸极限强度计算表明,斜削搭接形式下层合板各角度铺层初始损伤载荷及接头整体最终失效载荷值均高于等厚度搭接,且计算发现,在极限载荷水平下,斜削接头持续保持较等厚度搭接接头钉载分配方面的优势,得出其连接强度的提高与它载荷分配优势从加载初持续到最终失效是分不开的结论。     

复合材料厚板单钉螺栓连接强度研究

在Abaqus有限元软件中,建立复合材料层合板单钉单剪螺栓连接结构的三维有限元模型,引入三维Hashin准则作为失效判据,同时考虑拧紧力矩因素,分别采用分区退化方案和整体退化方案对不同厚度层合板单钉单剪螺栓连接结构的失效过程和连接强度进行分析预测。计算结果与试验结果的对比表明:普通退化方案得到的位移载荷曲线折减不够,且最终不能下降,采用分区退化模型的计算结果较为准确;随着板厚的增加,螺栓连接强度呈下降趋势,且下降速度由快变慢,即随着层合板厚度的增加,结构承载能力的提升程度减小;合适的拧紧力矩可以增大结构的极限强度,过大的拧紧力矩不利于结构的承载。