复合材料接头三维有限元应力分析

本文介绍了复合材料三维单元刚度矩阵,用三维有限元方法计算了复合材料层压耳片接头拉伸、剪切、弯曲载荷的问题,给出了孔边应力分布及弯曲时层间剪应力分布。结果表明,当载荷平行于铺层且沿厚度均匀分布时,应力沿厚度方向变化不大,主要与铺层角度有关,当载荷不平行铺层时,层间剪切应力和拉伸应力较大,是接头破坏的主要原因。     

配合方式对复合材料单钉单剪螺栓连接接头刚度的影响及其机制

针对单钉单剪复合材料螺栓连接,研究了间隙与干涉2种配合方式对接头刚度的影响及其机制。通过与试验结果的对比,验证了所采用的有限元方法的有效性。结果表明:对于复合材料单钉单剪螺栓连接,间隙配合导致接头刚度变小, 3%钉直径的间隙量导致接头刚度下降16%~17%,并且随着间隙量的增大,接头刚度基本呈线性下降;而对于装配过程中没有产生孔边分层损伤的干涉配合连接件, 0.5%钉直径的干涉量使得接头刚度增加了约15%。配合方式不同,连接件孔周接触应力峰值方向及厚度方向接触应力分布不均匀的程度不同,进而影响了接头刚度。      

胶层厚度对碳纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料平-折-平混合连接接头力学性能的影响

以碳纤维/双马来酰亚胺(BMI)树脂复合材料平-折-平(FJF)连接接头为对象,通过试验对比分析了特定胶层厚度下碳纤维/BMI树脂复合材料FJF连接接头的静强度和疲劳性能,并探究了胶层厚度对碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头力学性能的影响。利用背面应变技术对碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头搭接区端部胶层开裂进行监测。利用有限元软件ABAQUS对不同胶层厚度下碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头搭接区胶层应力分布进行了分析。结果表明,碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头的平均拉伸极限载荷、搭接区端部胶层开裂平均循环次数和平均疲劳寿命均随着胶层厚度在0.1~0.3 mm范围内增加而增大。不同胶层厚度的碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头均经历相同的失效阶段,即搭接区胶层端部开裂,胶层沿搭接区断裂扩展,最终靠近加载端孔边拉伸断裂,呈±45°断口。随着胶层厚度在0.1~0.3 mm范围的增加,搭接区端部胶层剥离应力、剪切应力及孔边胶层压缩应力均减小。在胶层厚度为0.1~0.3 mm范围内,剪应力是胶层破坏的控制因素。      

复合材料蜂窝夹层结构T型接头拉伸性能研究

通过试验测量了复合材料蜂窝夹层结构T型整体接头的拉伸性能,得到其拉伸强度与破坏模式。建立了接头结构有限元模型,利用分类损伤判据、失效准则与刚度退化准则对结构的损伤情况进行模拟,研究了接头的拉伸破坏行为。有限元分析结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,结构的薄弱点位于腹板内靠近蒙皮的位置。蜂窝在此处发生面外拉伸破坏,从而导致结构的最终破坏。腹板上的拉伸载荷主要通过过渡区填料传递给蒙皮,腹板与蒙皮间的搭接段对载荷传递的贡献较小。参数研究表明,对于复合材料蜂窝夹层结构T型接头,搭接段长度对结构的强度几乎没有影响,而增大蒙皮蜂窝的高度或采用低模量蜂窝可以提高结构强度。     

螺栓连接层合板孔边挤压应力三维分布

孔边应力是复合材料连接设计中强度校核的重要依据,装配间隙对其有明显的影响。针对准各向同性铺层层合板单搭接连接结构,首先采用弹性基剪切梁模型推导了螺杆挠度的解析解,给出挤压载荷沿着层合板厚度方向的分布。在此基础上,将能计及装配间隙的二维情况下孔边挤压应力分布的Persson模型推广到三维情况,得到了孔边挤压应力分布及应力集中系数。理论结果通过三维细节有限元方法进行了验证。最后采用理论方法分析了装配间隙、层合板厚度及钉载对应力集中系数的影响。     

碳纤维/环氧树脂复合材料L型接头拉伸失效机制

设计了单L型(LS)及双L型(LD)两种重量相近的L型接头。采用试验与数值模拟相结合的方式对两种接头的拉伸失效机制进行了研究。通过自行设计的试验夹具在伺服液压试验机上将两种L型接头准静态加载至破坏,分析其破坏机制及应变分布。研究发现,两种L型接头存在不同的失效机制,在破坏阶段单L型接头表现出更好的延展性。单L型接头加载至峰值载荷时,在靠近加载侧的内侧螺栓孔附近首先出现破坏,随后损伤向外侧螺栓孔附近扩展,直至完全失效。双L型接头加载至峰值载荷的50%左右时,L型框体和L型片之间的胶膜首先发生破坏,随后载荷继续增加至峰值载荷时,L型框螺栓孔附近发生破坏,损伤向框体边缘扩展,载荷大幅下降。此外,两种接头的应变随载荷的增加存在不同的变化趋势。采用一种新型复合材料初始失效准则及刚度折减方法,编写用户自定义子程序(UMAT),结合内聚区模型建立复合材料L型接头的渐进损伤模型。基于ABAQUS软件进行计算,得到接头的预测失效载荷及破坏形式。结果表明：有限元分析所得复合材料L型接头的损伤位置及失效模式与试验吻合,预测载荷与试验值相差较小,证明了有限元模型的适用性。     

复合层压板单螺栓连接的刚度建模

针对复合层压板单螺栓单搭接结构,提出一种更合理的四阶段刚度模型。该模型是在传统三阶段刚度分析模型的基础上,采用部分滑移理论对模型粘滞阶段的刚度进行了改进;同时考虑到层压板之间、垫片与层压板之间的异步滑动,增加了部分滑移阶段,给出新的刚度模型的理论分析过程和使用条件。为了验证改进模型的准确性,在ABAQUS中建立了对应的三维有限元模型,同时对比了层压板单独建模和均质建模的优缺点,表明单独建模更符合实际,更精确;最后通过分析螺栓孔间隙、扭矩、铺层厚度、宽径比、液态垫片及铺层角度对复合材料螺栓连接各阶段刚度的影响。结果表明:螺栓孔间隙会导致螺杆发生二次弯曲,从而降低其接头刚度;相对于宽径比的影响,铺层厚度对螺栓接头刚度的影响更显著;不同铺层角度对螺栓接头刚度的影响机制也不同。      

碳纤维复合材料接头力学性能试验与仿真分析

采用试验和仿真分析的方法对T800/924复合材料接头在拉伸载荷作用下的力学性能进行研究。在电子万能试验机上进行了接头试验件的拉伸试验,记录试验中试验件的破坏过程,得到了最终失效载荷。采用非线性有限元法,基于ABAQUS软件平台,使用内嵌的材料用户定义子程序（VUMAT）,建立了该试验对应的有限元分析模型,得到接头的应变分布情况,并给出接头失效载荷的计算值。结果表明:计算预测接头的损伤部位与试验吻合,失效载荷计算值与试验值差值较小,证明了仿真分析方法的可行性。通过结果分析发现,孔边是应力集中的地方,破坏一般从孔边开始萌生,并且接头面外受载能力较弱,接头的失效模式一般是孔边面外拉脱。      

搭接区端部细观结构对受拉复合材料单搭接头力学响应的影响

在复合材料单搭接头的加工过程中,在搭接区端部会形成一些细观结构,从而在这些区域常存在比较严重的应力集中。应用实验和有限元方法研究了胶瘤和复合材料端部毛刺这2 种搭接区端部细观结构对受拉复合材料层合板单搭接头力学响应的影响。应用数字图像相关方法测量了搭接区端部的应变场分布情况,同时利用基于子模型技术的非线性有限元方法分析了搭接区端部细观结构的作用。实验结果与有限元分析结果吻合较好。实验和有限元结果都表明胶瘤分担了部分载荷,可以降低搭接区端部的应力集中。复合材料端部毛刺的作用与毛刺的具体结构关系密切,不同结构的毛刺对搭接区端部应力应变分布的影响是不同的。     

液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响

复合材料较复杂的成型工艺导致其构件的制造精度偏低。装配时,偏差会使配合面间产生装配间隙,当间隙超过一定的大小时,需要采取补偿措施,即用垫片填补间隙。基于一种简化装配模型,通过实验和有限元分析方法,研究了液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响。通过比较强迫装配和液体垫片补偿两种情况下施加螺栓预紧力时构件表面的应变,分析了复合材料构件的变形。进行应力分析时,通过提取单元积分点应力分量计算构件的安全裕度,研究液体垫片对复合材料装配结构应力的影响。得出如下结论：强迫装配时,处在装配间隙边缘的区域受间隙影响相对严重,该区域发生较大的弯曲变形,构件中间部分由于局部贴合反而使装配间隙的影响相对较小;液体垫片在改善间隙边缘危险区应变状态的同时,也使构件中间贴合部位的螺栓头挤压区和部分非挤压区的应变增大,但总体而言,液体垫片的引入使应变分布趋于均匀;当装配间隙大于0.7 mm后,液体垫片补偿对于构件安全裕度的提升作用明显下降。     

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。      

碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制,采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式,仿真CFRP层合板刚度退化,采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化,建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型,有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度L_a为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数,螺栓的位置不会明显影响接头的刚度,粘结面积越大,强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下,由于二次弯曲效应的影响,螺栓向左倾斜,搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧,并由外侧向内部扩展到钉孔附近,当胶层损伤扩展到钉孔附近时,螺栓承载增加,胶层和螺栓共同承载,此时CFRP层合板开始出现损伤;最终,左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。      

Strength improvement by fibre steering around a pin loaded hole

A fibre steering technique has been applied around boltholes in carbon fibre reinforced epoxy composite laminates to locally enhance the bearing strength of bolted joints. The procedure can precisely place dry tows of fibre on a prepreg fabric following both the tensile and compressive principal stress trajectories around the hole. The bearing test results indicate that fibre steering improved the peak load of the composite bolted joints approximately in linear proportion to fibre addition by weight. The best result achieved an increase for the peak load by a factor of 2.69. The best improvement of bearing strength was by a factor of 1.36 for a specimen reinforced by 3 k fibre tows in tensile principal stress patterns and 6 k fibre tows in compressive principal stress patterns. The bearing strength improved due to significant increase in peak load and moderate change in thickness.     

三维六向编织复合材料单剪搭接连接结构在拉伸载荷下的力学性能

通过试验测试与数值模拟相结合的方法对三维六向编织复合材料的螺栓连接性能进行了研究。首先,通过拉伸试验对不同侧向约束螺接方式连接件的连接强度进行了测试。测试结果表明:单搭连接结构的二次弯曲现象明显,连接强度与侧向约束有一定的关系,使用垫片可有效提高连接强度,螺栓拧紧力矩增加对连接强度影响不大;连接结构的破坏模式包括挤压破坏和拉伸破坏,在孔径较小时其主导破坏模式是挤压破坏。随后,基于测试中发现的破坏模式,建立了基于点应力准则的分析模型,并使用升温法实现螺栓拧紧力矩的施加。通过数值结果与试验结果的比较验证了分析模型的可靠性。最后,利用得到验证的分析模型,分析了单搭连接的二次弯曲现象,获得了侧向约束面积、螺栓拧紧力矩及连接平板厚度对单搭单螺栓连接结构力学性能的影响规律。分析结果表明:当侧向约束应力增加时,连接强度表现为先增加后降低的规律。     

Progressive failure analysis of bolted single-lap composite joint based on extended finite element method

In this paper, extend finite element method (XFEM) is used to predict the failure of single-lap bolted joints. To simplify calculation of XFEM model, composite laminates of joint are modeled using linear elastic properties. Three-dimensional equivalent material properties are calculated by the MATLAB code written by author. Progressive failure of bolted single-lap composite joint is investigated, and the failure load of joint simulated by XFEM is compared with experiments in literature. Then the influences of geometric parameters on failure load of one bolt single-lap composite joint are studied. Two geometric parameters include plate width-to-hole diameter ratio (W/D) and the edge-to-hole diameter ratio (E/D). At last the failure of single-lap joints with one bolt and two bolts are compared.     

复合材料层合板多钉连接结构累积损伤过程可视化仿真模拟

建立了分析复合材料层合板多钉连接结构的三维有限元模型, 考虑了接触状态非线性和累积损伤过程非线性的影响, 运用ANSYS 中的APDL 编制程序实现了对复合材料层合板机械连接结构整个承载过程的可视化仿真模拟, 同时进行了T300/ Q Y9512 复合材料层合板多钉单剪拉伸试验。结果表明, 在一定几何尺寸下, 复合材料层合板多钉连接结构钉载分配的不均匀性在整个承载过程中并无明显改善。根据本文中提出的累积损伤模型对各孔位变形进行了计算, 计算结果与试验结果吻合较好。从累积损伤过程的仿真结果可以明显看出, 不同几何尺寸的多钉连接结构中各钉孔附近损伤的起始和发展过程具有明显的区别。优化设计结果表明, 不同钉孔处层合板厚度的改变对各钉钉载分配无明显影响, 但孔边法向和切向应力大小和分布均受到严重影响, 对整个多钉连接结构的损伤程度产生很大变化。      

多孔复合材料机械连接件弹性接触内力和应力分析

本文用有限元混合法给出了多孔复合材料机械连接件弹性接触内力和应力分析。文中详细讨论了销钉弹性、层合板铺设方式和摩擦对各孔钉载分配及孔边应力的影响,并给出了多孔连接件向单孔连接件简化的条件。