碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真

基于商用有限元软件ABAQUS,建立了碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）层合板和铝板双搭接胶螺混合连接接头强度预测模型,并进行了仿真分析,同时与试验结果进行对比,探究了此类混合接头在拉伸载荷工况下的失效形式和承载能力。结果表明,拉伸加载过程中,螺栓通过分担部分载荷加强了胶接连接。混合接头的失效形式先表现为胶层的断裂失效,最终表现为层合板孔边挤压失效。利用模型预测的接头承载能力与试验结果的误差为9.7%,具有较好的吻合性。该分析方法能够为复合材料-金属胶螺混合连接的分析和设计提供一定的参考。      

激光选区熔化成形铝合金板与CFRP复合材料层合板螺栓连接结构失效分析方法评估

对激光选区熔化成形(SLM)铝合金板与碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料层合板两列四排沉头螺栓单剪连接件在拉伸载荷作用下进行了数值分析和试验研究。基于渐进损伤法的三维有限元模型准确地预测了连接件材料损伤萌生和演变,对比试验和三维有限元所得钉载比例、极限载荷及失效模式,可以发现,通过拟合SLM铝合金板断裂应变和应力三轴度曲线,编写UMAT子程序引入韧性准则和Hashin失效准则的三维有限元模型预测的连接件失效载荷与试验值误差仅为1.9%,且失效模式均为净截面拉断,两者吻合,此方法可以满足工程精度要求。利用经过验证的数值模型,分别预测了SLM铝合金板和CFRP层合板损伤演变过程,并分析了SLM铝合金板刚度对连接结构失效模式的影响,当SLM铝合金板厚度增大到4mm时,连接结构失效模式由SLM铝合金板净截面拉断转移到CFRP层合板上。     

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%。      

复合材料双面贴补修理拉伸解析分析模型及试验验证

复合材料胶接修理是一种有效并且低成本的修理技术。本文建立了复合材料层合板双面贴补胶接修理解析分析模型。模型中考虑了搭接区阶梯末端截面积变化细节。预测失效时,层合板采用最大应变准则,胶层采用最大剪应变准则和损伤区域理论。定义了残差函数来表征极限载荷解析计算结果与试验值的接近程度。通过试验对解析模型得到的等效刚度与极限载荷进行了验证。解析分析结果与试验数据对比表明:复合材料层合板双面贴补等效刚度随着搭接长度的增加单调增加。解析模型计算的等效刚度与试验结果最大误差不超过15%。当损伤特征长度为4%时,损伤区域理论对应极限载荷残差值最小,仅为4.30%,最大剪应变准则预测极限载荷的残差值为6.41%。解析模型分析表明,双面贴补极限载荷随着搭接长度的增加表现为快速增长、缓慢增长和几乎不增长三个阶段。搭接长度结合结构减重等限制因素应选择15~35mm为宜。     

复合材料层合板连接件力学性能影响因素分析

在位移载荷作用下,基于二维有限元模型,通过编写材料失效准则和刚度退化规则的ABAQUS用户子程序USFLD,并考虑剪切非线性效应,分析了一般铺层下配合间隙、挤压面切向摩擦系数和开孔形状对复合材料层合板单钉螺栓连接力学性能的影响。结果表明:小的配合间隙、大的挤压面切向摩擦系数和开孔形状采用圆孔时均有利于提高连接强度。     

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。     

复合材料3钉单搭连接有限元模拟与钉载分布

进行了复合材料一铝合金三钉单搭连接单向拉伸试验,测量了层合板面内位移、应变和离面位移随载荷的变化关系,建立了复合材料多钉单搭连接的三维累积损伤有限元模型,计算与试验对比结果表明,该模型可模拟大范围损伤发生之前的承载特性。采用试验和数值模拟相结合的方法研究了复合材料一金属三钉单搭连接钉载分布情况,结果表明：试验用复合材料-铝合金三钉单搭连接,螺栓1承载比例最高,螺栓3次之,中间螺栓的承载比例最低,并且螺栓承载比例在加载过程中基本保持不变;随着金属连接板刚度的增加,螺栓1的承载比例增加,螺栓3承载比例降低,中间螺栓2的承载比例变化较小,层合板离面位移减小;金属板配合间隙变化对钉载分布影响很小,但层合板的离面位移随配合间隙的增大而增大。     

含切口复合材料层合板拉伸应变集中与失效分析

通过对圆形切口和长条形切口复合材料层合板试件进行拉伸实验,研究中心切口形状对层合板力学性能的影响。根据实验测得的应变分布规律确定切口引起的应变集中,并分析层合板的破坏过程。建立了基于连续刚度退化准则的渐进损伤模型,分析含切口试件的损伤扩展进程。结果表明,渐进损伤分析模型可准确描述含切口层合板的拉伸失效行为;长条形切口引起的应变集中系数较高,但切口附近的应变梯度更大;两种中心切口形式的复合材料层合板损伤进程有较大差异,但两者的拉伸强度较为接近。     

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.     

复合材料层合板机械连接处失效过程的数值模拟

考虑了损伤累积、刚度退化和破坏准则,研究了带孔洞复合材料层合板受面内载荷作用的失效过程.应力分析建立在三维有限元模型基础上,借助有限元商业软件ANSYS中的参数化设计语言APDL,考虑材料损伤累积和刚度退化,采用迭代算法,实现了层合板机械连接处的破坏过程模拟.为验证三维有限元模型的有效性,将模拟计算得到的孔边应力分布与文献中的结果进行了比较,两者十分吻合.进一步计算了层合板的位移一挠度曲线,并与实验结果进行了比较,验证了数值模拟的正确性.     

复合材料胶-螺混合连接接头承载力分析

针对制作工艺为连接处预先制孔,粘结和螺栓安装一并完成的复合材料胶-螺混合连接接头,利用其传力机制和胶-螺之间的变形协调条件推导了承载力计算方法。计算了接头中胶连接的破坏荷载,分析了胶连接承受其破坏荷载时胶层剪应变沿搭接长度的分布规律,利用胶-螺之间的变形协调条件计算了此时螺栓连接所承担荷载;胶连接的破坏荷载和此时螺栓连...     

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。      

Fatigue of bolted joints in (0/90) CFRP laminates

The results of an experimental study of the fatigue behaviour of double-lap bolted joints using 1 mm thick (0/90)_2s and 2 mm thick (0/90)_4s laminates from the XAS/914 CFRP system are described. The damage development under fatigue loading was monitored qualitatively by microscopy, and quantitatively by recording the bearing stiffness and permanent joint deformation with cycling. The possibility of a stiffness-based failure criterion is investigated.The importance of the bolt clamp-up torque on the fatigue performance of the laminates was also studied It is shown that damage development under fatigue loading is considerably reduced at higher clamp-ups.     

AA5052薄板磁脉冲胶焊复合接头动态力学性能研究

目的 研究AA5052铝合金薄板在高速冲击载荷下的磁脉冲胶焊复合接头的动态力学性能,探究不同载荷速率对该胶焊复合接头力学和失效行为的影响规律.方法 利用磁脉冲焊接系统成功制备了胶焊复合连接试件.采用万能拉伸试验机、高速拉伸试验系统,结合全场应变测量系统,获得胶焊复合接头的力学性能规律,以及渐进失效过程和搭接区应变变化....     

复合材料中厚板沉头连接结构强度与损伤失效

针对复合材料沉头螺栓连接结构的强度与损伤问题,开展了两种厚度复合材料层合板凸头与沉头螺栓连接结构挤压强度对比试验研究。试验结果表明,增加层合板厚度会引起连接结构挤压强度下降,但沉头连接结构下降比例小于凸头连接结构。通过数值模拟方法对复合材料中厚板沉头连接结构的强度及损伤失效进行分析。提出一种非线性面内连续损伤与三维混合失效模型,模型考虑了复合材料基体剪切非线性特征并改进了纤维损伤失效判据,有效解决了数值模拟中沉头复合材料连接结构难于收敛的问题。对比分析表明:沉头连接结构的数值计算结果与试验结果吻合良好,极限强度最大计算误差8.62%。     

Fatigue performance characterization of a composite butt joint configuration

Fatigue performance characterization of a composite butt joint configuration was studied. The study focused on failure mode, damage evolution, and tensile stiffness degradation analyses. Effects of surface ply orientation, doubler thickness, joint attachment, and defect on the joint fatigue performance were evaluated. The bonded-bolted joints with two-row fasteners installed in each overlap section had an extremely high fatigue performance. For such a bonded-bolted joint configuration with thick doubler, a minor disbond defect improved, rather than reduced, the joint fatigue performance. This outcome was examined using the corresponding joint tensile stiffness degradation curves, and a dominant failure mechanism was identified based on damage characteristics. The study showed that the butt joint made using appropriate elements, such as a thick doubler with two-row fasteners installed in each bonded overlap section, could have very good fatigue performance regardless of the presence of a minor disbond defect.     

螺栓夹持填充孔复合材料层压板层间应力分析

为了研究含螺栓复合材料层压板连接接头的层间应力分布规律,提出了采用填充孔形式和虚拟界面层方法求解层间应力,并建立了三维有限元模型对受面内压缩载荷的螺栓夹持填充孔层压板进行分析。结果表明:层压板层间应力集中不仅发生在孔边,还会在螺栓头边缘附近出现,且夹持力越大螺栓头边缘附近的层间应力集中越严重;合理的螺栓夹持力能改善孔边应力状态,提高孔边抵抗分层的能力,但无法改善螺栓头边缘附近的层间剪切应力集中状态。因此,在进行含螺栓夹持的层压板机械连接结构孔边层间强度设计时,也要考虑螺栓头边缘的层间剪切应力集中问题,以提高复合材料结构的安全性。     

Strength prediction in CFRP woven laminate bolted double-lap joints under quasi-static loading using XFEM

The current paper is concerned with modelling damage and fracture in woven fabric composite double-lap bolted joints that fail by net-tension. A 3-D finite element model is used, which incorporates bolt clamp-up, to model a range of CFRP bolted joints, which were also tested experimentally. The effects of laminate lay-up, joint geometry, hole size and bolt clamp-up torque were considered. An Extended Finite Element (XFEM) approach is used to simulate damage growth, with traction–separation parameters that are based on previously reported, independent experimental measurements for the strength and toughness of the woven fabric materials under investigation. Good agreement between the predicted and measured bearing stress at failure was obtained.