螺栓连接层合板结构失效模式多尺度数值分析

为充分发挥螺栓连接层合板结构的力学潜能,构建宏-细观多尺度数值方法,从细观组分材料性能出发准确地预测结构的失效载荷,模拟局部损伤的产生、扩展过程,指导结构设计。基于有限元软件ABAQUS提供的用户自定义子程序（ USDFLD）,引入改进的单胞模型（ GMC模型）,建立考虑细观组分材料损伤／失效的宏-细观多尺度数值分析模型,模拟预报螺栓连接层合板结构在双剪切载荷作用下的损伤模式及挤压强度,模型的预报结果与文献及实验结果吻合较好,充分证明模型的预报能力。利用该模型进一步分析试件的几何尺寸对结构损伤模式及挤压强度的影响。结果表明：结构宽度与孔径比尺寸的变化对结构的损伤模式及挤压强度均有影响,且对挤压强度的影响较大,在结构的设计过程中应给予充分的考虑。     

Research on Fixture’s Effect on Properties of Single-Shear Bolt Jointed Composite Laminates Structure

夹具对单剪连接层合板结构性能影响的研究

刘长喜^1,2,周振功¹,王晓宏²,张博明³

（1.哈尔滨工业大学复合材料研究所;2.黑龙江工程学院机电工程学院;3. 北京航空航天大学材料科学与工程学院）

创新点说明：

（1）从测试夹具的角度出发,利用试验与数值分析相结合的方法,分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响;

（2）基于通用有限元软件ABAQUS及其用户自定义子程序USDFLD,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑细观组分材料（纤维、基体、界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观多尺度数值分析模型。

研究目的：

此文是为了研究测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响

研究方法：

（1）根据ASTM D5961-B 测试标准进行复合材料层合板试件的设计;

（2）利用热压罐成型技术进行复合材料层合板试件的制作;

（3）根据ASTM D5961-B测试标准进行单剪连接层合板结构性能测试,并分析测试夹具对测试结果的影响;

（4）基于ABAQUS软件及其用户自定义子程序（USDFLD）,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑复合材料组分材料（纤维、基体及界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观相结合的数值分析模型;

（5）利用试验测试结果验证模型的准确性,在此基础上利用所建立的数值分析模型进一步分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响。

结果：

（1）试验测试结果表明：

a）单剪连接层合板结构承载能力的应力-应变曲线的重复性较好;

b）不同于双剪连接层合板结构,单剪连接层合板结构的应力-应变测试曲线的初始阶段未出现明显的峰值;

c）单剪连接层合板结构的承载能力参数（初始挤压强度、偏移挤压强 度和极限挤压强度）均低于双剪连接层合板结构的相应的承载能力参数。

（2）数值分析结果表明：

a）数值分析结果与试验测试结果吻合较好;

b）试件与测试夹具侧面的不完全接触将导致测试结果偏低;

c）测试过程中,载荷的非对中性将导致测试结果偏低;

d）测试夹具的刚度偏低将导致测试结果偏低。

结论：

（1）单剪连接层合板结构的挤压性能低于双剪连接层合板结构的挤压性能,且单剪连接层合板结构挤压性能的试验测试结果偏差较大;

（2）单剪连接层合板结构挤压性能测试过程中,应注意夹具与试件之间的完全夹紧、避免加载过程中载荷的不对中性,提高测试夹具的刚度,以保证测试结果更加接近结构的实际性能。

关键词：宏-细观多尺度数值分析;单剪层合板结构;测试夹具;ABAQUS;GMC模型;用户子程序

     

一种复合材料螺栓连接结构非线性刚度模型及应用

针对复合材料螺栓连接结构挤压破坏及钉载分配规律,提出一种非线性刚度模型。基于单钉连接结构试验获得的应力-应变曲线,将连接结构挤压破坏过程分为:线性无损伤阶段、非线性损伤扩展阶段和线性退化阶段,并将连接结构等效为弹簧系统模型。模型在线性阶段考虑了层合板间摩擦力的影响;在非线性阶段考虑了层合板面内剪切非线性并定义了非线性损伤函数;在线性退化阶段基于能量吸收原理,对结构失效后力学行为进行了表征。最后,将单钉弹簧模型引入多钉连接结构进行分析,通过多钉连接结构试验验证表明,模型计算结果与试验曲线吻合良好,钉载分配计算误差小,符合工程要求。     

复合材料天线罩螺栓连接结构损伤失效分析

针对复合材料天线罩螺栓连接结构的损伤失效问题,采用试验和渐近损伤分析方法对复合材料天线罩螺栓连接结构的损伤失效进行了研究,分析了螺栓连接结构在等效风载压力和拉力作用下的失效过程和失效强度,并对天线罩连接结构折角位置玻璃钢蒙皮的过渡方式对其力学性能的影响进行了分析。试验和数值研究结果表明,连接结构试件的初始破坏均表现为玻璃钢蒙皮与泡沫芯材间的层间开裂,初始开裂载荷为0.7倍左右的结构失效载荷,玻璃钢蒙皮采用隔层断开过渡的加工工艺可显著提高天线罩连接结构的强度,数值预测的结构失效强度与试验结果吻合较好。     

Bolt Design of Ceramic Matrix Composite and Superalloy Bolted Joint Based on Damage Failure Load

瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化

吕超¹,赵淑媛^2*,李正禹²,蒲泽良²,董江龙²,孙新杨³,张文娇⁴

（1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2．哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080; 3．哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;4．东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）

创新点说明：

基于有限元软件ABAQUS对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构的单轴拉伸性能进行渐进损伤分析,研究了螺钉几何参数对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构拉伸性能及失效行为的影响规律,并给出了连接结构失效载荷最大时的螺钉尺寸参数。

研究目的：

陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。螺钉的尺寸参数显著影响陶瓷基复合材料螺栓连接结构承载能力,对螺钉的几何尺寸进行设计对提高陶瓷基复合材料-金属螺栓连接结构的承载能力具有重要意义。

研究方法：

针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,利用UMAT子程序将材料模型嵌入到ABAQUS有限元模型中建立了单钉单搭接螺栓连接结构的渐进损伤分析方法。基于已建立的C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的有限元模型,研究六角凸头螺钉的螺钉直径、钉头直径及钉头高度对于连接结构孔周应力分布、拉伸强度以及破坏方式的影响情况,讨论给出承载能力最大的螺钉最优几何参数。

研究结果：

C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的刚度随螺钉直径的增加小幅下降,受钉头直径与厚度的影响较小。在给定的螺钉直径、钉头直径及钉头厚度参数范围内,连接结构的拉伸强度均先随各参数的增加而增大而后降低,当螺钉直径为5mm,钉头直径为9.5mm,钉头厚度为2.8mm时室温最终失效载荷达到最大。

结论：

本研究基于ABAQUS有限元软件对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金进行有限元渐进损伤模拟分析,讨论螺钉尺寸参数对于连接结构拉伸性能的影响规律,为陶瓷基复合材料机械连接结构的工程应用提供设计分析基础及指导。

关键词：2D C/SiC陶瓷基复合材料;渐进损伤分析;拉伸性能;螺钉连接;螺钉参数

     

混合结构中金属疲劳对层合板损伤的影响

针对混合结构中层合板和金属的疲劳损伤耦合问题,构建了复合材料渐进疲劳损伤模型和金属材料Lemaitre疲劳损伤模型,采用唯象的弹塑性本构描述单层复合材料面内剪切非线性,基于球张量和剪切张量的应力分解方法推导了低周疲劳能量释放率计算公式。对单钉与多钉螺栓连接结构进行了疲劳损伤和寿命分析,结论表明:循环加载过程中,多钉连接结构钉载向金属搭接板疲劳硬化区域迁移,加剧了层合板局部挤压损伤,降低了层合板拉断载荷,有利于提高以拉断为破坏模式的层合板疲劳寿命。     

沉头单钉连接层合板拉伸试验与分析

为了研究复合材料层合板沉头单钉螺接结构的拉伸性能,对试验件进行了拉伸试验,并通过ABAQUS/Standard基于Hashin失效判据建立了三维渐进损伤有限元模型,计算得到的条件挤压载荷、极限挤压载荷均与试验吻合良好,说明了所建模型的有效性。在此有限元模型的基础上,分析了挤压过程中钉孔的渐进损伤过程,并且研究了螺栓的拧紧力矩、钉孔间隙和连接金属板厚度等因素对结构拉伸强度的影响。结果表明:拧紧力矩在一定范围内可以提高结构强度,并且抑制了分层损伤的出现;钉孔间隙则改变了钉孔初始接触状态,显著地降低结构的强度,而金属板厚度对结构的强度影响较小。     

Influence of Assembly Parameters on Tensile Behavior of Hybrid CMC and Superalloy Bolted Joints by Progressive Damage Analysis

基于渐进损伤分析的装配参数对陶瓷基复合材料与高温合金

混合螺栓连接结构拉伸行为的影响

吕超¹,李锋¹,赵淑媛²,孙茜³,李明瑞²,孙新杨⁴

（1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2.哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;3.中航工业集团公司沈阳飞机设计研究所,沈阳 110000;4.哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001）

创新点说明：

采用ABAQUS有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行了渐进损伤分析,研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律,并讨论了连接结构的损伤失效模式,为提高陶瓷基复合材料连接结构的结构效率及服役安全性提供理论基础。

研究目的：

在飞行器结构应用中,陶瓷基复合材料与金属螺栓连接件的强度分析与结构设计对提高结构承载效率及维护结构完整性起着至关重要的作用,研究连接结构装配参数对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构拉伸性能的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。

研究方法：

采用有限元软件ABAQUS建立了2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的单钉单搭接螺栓连接结构的有限元分析模型,结合Fortran语言将非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件,并嵌入到ABAQUS有限元软件中实现高温拉伸条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的渐进损伤分析。基于此模型研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律,并讨论了连接结构的损伤失效模式。

结果：

2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构施加适当的预紧力可以提高连接结构的刚度和强度,但过大的预紧力会使复合材料板厚度方向发生破坏,从而导致接头强度下降。钉孔间隙的增加将加剧孔内挤压区域的应力集中现象,导致结构强度降低。

结论：

本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律及相关失效模式,为陶瓷基复合材料连接件的结构设计和工程化应用提供了技术支撑。

关键词：陶瓷基复合材料;渐进损伤分析;拉伸性能;预紧力;钉孔间隙

     

低速冲击碳纤维增强铝合金层合板力学响应

基于ABAQUS/Explicit建立低速冲击碳纤维增强铝合金(CFRP/Al)层合板有限元模型。采用Johnson-Cook本构模型模拟铝合金蒙皮力学行为,使用材料子程序VUMAT定义3D Hashin准则,以此判定碳纤维增强复合材料层内失效,Cohesive单元模拟层间胶粘层分离与分层损伤。模拟结果表明,铝合金蒙皮可以有效提高碳纤维增强基复合材料抗冲击性能,并且随着蒙皮厚度增加,CFRP/Al层合板变形量、接触力峰值会有所增大,吸能量和剩余冲击能占比有所减小;随着冲击能增加,层合板变形量、吸能量、接触力峰值、剩余冲击能占比皆呈增大趋势。     

螺栓拧紧力矩对复合材料多钉连接结构疲劳寿命的影响

螺栓拧紧力矩对多钉连接结构疲劳寿命的影响不可忽视,但考虑螺栓拧紧力矩的复合材料多钉连接结构疲劳寿命预测方法却很少,提出一种复合材料多钉连接结构疲劳寿命预测方法,综合考虑螺栓与层合板的各种损伤情况,可以准确预测复合材料多钉连接结构的疲劳寿命以及损伤演化情况。采用T300/BMP-316复合材料层合板与TC4钛合金螺栓组成的复合材料多钉连接结构对所提方法进行了验证,疲劳寿命预测结果与试验值对数误差为4.36%,且破坏模式与试验结果吻合。通过对螺栓拧紧力矩的影响规律进行探究,发现随着螺栓拧紧力矩的增加,疲劳寿命先增加后减小,存在最佳拧紧力矩。从损伤演化云图中发现当拧紧力矩小于最佳拧紧力矩时,损伤扩展不能得到有效抑制,会导致疲劳寿命降低;反之当拧紧力矩大于最佳拧紧力矩时,试验件会形成初始损伤,导致疲劳寿命降低。在工程应用中,选择结构的最佳拧紧力矩进行装配,可以有效提高结构疲劳寿命。     

椭圆开孔层合板剪切屈曲仿真预报

为预测不同纤维角度铺层复合材料层合板在中心不同椭圆尺寸开孔下剪切承载能力,利用有限元软件包进行仿真分析.通过改变纤维角度铺层方式和开孔几何参数,得到层合板屈曲载荷变化规律.结果表明(0/90)4和(-45/45)4层合板屈曲特征值随椭圆偏轴角θ=45°对称分布,(-15/75)4和(-30/60)4随θ=45°反对称分布,这主要由于其纤维铺层角度与载荷矢量方向成对称和反对称分布.此外,仿真得到最优椭圆开孔偏轴角度θ为0°,其剪切屈曲特征值随不同椭圆尺寸(c/a=0.1,0.2,0.3)增大而线性减小等规律,这是因为c/a增大扩大了椭圆开孔面积,从而减小了层合板的承载能力.本文最后采用四杆夹具结构进行对角拉伸进行静态加载实验,仿真计算结果和实验屈曲临界值吻合.     

初始缺陷对复合材料层合板力学性能影响研究

复合材料层合板在热压成型以及冷却过程中容易出现分层缺陷,分层缺陷是影响复合材料性能最主要的缺陷形式之一,其在复合材料中的产生和扩展都会显著降低复合材料的结构强度甚至引发灾难性的破坏,所以复合材料的分层缺陷对于结构的可靠性有着十分重要的影响。以初始分层位置以及初始分层直径2个参数作为研究对象设计实验,通过数值模拟和试验得到两者对于复合材料层合板力学性能的影响规律,并得出以下结论:初始分层沿厚度方向位置对线性段平均压缩模量以及应变的影响较小,分层越接近中心面,对极限承载能力影响越大;当缺陷直径在有效作用区长度的8%～20%(18～44 mm)范围内时,对层合板线性段平均压缩模量、极限承载能力以及应变的影响变化不明显,当直径提升到有效作用区长度的27%(60 mm)时,以上性能均出现较大变化。另外,将双线性内聚力单元引入渐进失效方法计算层合板极限承载能力,通过试验结果与数值模拟的对比验证了算法的准确性。     

含孔复合材料层合板拉伸强度研究

对含孔复合材料层合板的破坏模式和拉伸强度进行了研究,考查了孔的直径和形状对层合板强度的影响.通过实验研究,测量出含孔层合板的强度.利用有限元软件ABAQUS的子程序USDFLD建立了逐渐损伤失效模型,对层合板的强度进行了数值模拟.研究结果表明,数值模拟得到的强度值和实验测量的强度值吻合较好,文中建立的数值模型可以有效地预测含孔层合板的强度.     

不同孔隙率CFRP层合板冲击损伤分析

为了建立适用于织物纤维增强复合材料层合板的冲击损伤失效准则,在适用于复合材料单向板低速冲击失效准则的基础上,改进了纤维及基体破坏的失效准则.对于织物纤维增强复合材料层合板,分别考虑了经向纤维破坏、纬向纤维破坏、基体法向挤压破坏、分层破坏等冲击损伤形式.使用ABAQUS软件建立有限元模型,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,较为准确地预测了不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的冲击损伤投影面积.     

含孔复合材料层合板失效准则研究

基于最大应力准则、Hashin准则、Hill-蔡强度理论、Ye-分层准则、Chang F K准则等失效准则,提出了一个新的预测含孔层合板的失效准则-混合准则。基于该准则和Hashin三维失效准则及相应的材料性能退化模型,建立适用于含孔复合材料层合板的强度分析方法。采用该方法分别对T300/BMP316和T300/KH-304两种材料的含孔层合板拉伸强度进行预测,与试验结果对比表明：T300/BMP316含孔层合板和T300/KH-304含孔层合板静强度的预测值与试验值的最大误差分别为6.28%和2.32%,初步证明了该方法的有效性与合理性,及混合失效准则的优越性。     

碳纤维增强复合材料层合板挤压强度的试验研究

本文介绍碳纤维复合材料挤压强度的测试方法。测出了0°/±45°/90°;0°/±45°;±45°;0°/90°铺层的碳纤维/环氧层合板的最大挤压载荷P_(max)和损伤挤压载荷P_d,绘出了挤压载荷P与孔的变形δ的关系曲线,找出了拧紧力矩对挤压强度的影响,并得到了若干有参考价值的结论,为国家标准《纤维增强塑料层板螺栓连接挤压强度的试验方法》的制定,提供了可靠的依据。     

单搭胶/螺栓混合连接结构的应力分布与载荷分配

针对平衡单搭胶/螺栓混合连接结构及其对应胶连接、螺栓连接结构,通过逐步构建其各自对应的精确三维有限元分析模型的方法对比分析了三种连接结构的应力分布。首先构建了胶连接分析模型,其胶层应力计算结果与采用已有文献理论分析模型计算结果比较吻合,验证了计算模型的准确性;在上述模型基础上继而构建了胶/螺栓混合连接分析模型,对比分析了采用两种胶材料的混合连接相对于对应单种胶连接层应力分布的变化,并计算了混合连接胶层与螺栓的承载比例,发现采用酚醛树脂胶的混合连接与对应胶连接胶层应力分布几近一致,螺栓分载很少,而采用丙烯酸酯胶的混合连接胶层剪切应力得到极大程度降低且螺栓得到了较大分载;最后构建了混合连接对应的螺栓连接分析模型,比较了两者应力水平和应力集中程度,发现前者明显低于后者,混合连接胶层的加入有缓解连接孔边应力集中的作用。提出混合连接可采用低模量胶材料以使胶层与螺栓共同分载,从而达到比传统连接方式更好的连接性能。     

含孔隙碳纤维/环氧树脂层合板力学性能模拟

为了探究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板拉伸强度和压缩强度的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%、0.71%及1.50%的复合材料层合板的拉伸强度及压缩强度并进行有限元模拟.试验结果表明:随着孔隙率的增加,复合材料层合板的拉伸强度和压缩强度均呈下降趋势.建立了适用于织物纤维增强复合材料的静态力学强度的失效准则,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,使用ABAQUS软件建立有限元模型,对不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的拉伸强度及压缩强度进行了较为准确的预测.     

多尺度方法预测复合材料层板裂纹扩展

为了研究复合材料层板在细观和宏观尺度上的损伤分布,文中基于高精度通用单胞细观力学模型,发展了一种多尺度分析方法．该方法只需纤维和基体的材料属性、强度参数及纤维体积含量,而无需复合材料层合板的弹性参数和强度参数．文中使用该方法分析了复合材料结构的宏细观上的应力应变场;结合多尺度损伤模型,研究了复合材料的细观损伤以及宏观的裂纹扩展;通过二次开发ANSYS／LS-DYNA软件,文中将高精度通用单胞细观力学模型编译到用户自定义材料子程序中;使用这种方法分析了开孔层板轴向拉伸条件下的各个分层的应力分布、组分失效模式和裂纹扩展．并将计算结果与实验结果对比,结果表明: 数值模拟随时间变化的应力曲线与实验所得的曲线能较好的吻合; 预测的裂纹扩展与实验结果比较吻合．     

含孔边套筒的厚截面复合材料接头耳片强度分析

为研究含孔边防护套筒的厚截面复合材料层合板耳片连接件孔边层间应力分布规律及接头强度,提出了采用层合板子层和界面胶层相结合的有限元建模方法,在验证了建模方法对厚截面层合板应力求解的有效性的基础上,分析了承受轴向载荷的厚层合板耳片连接件孔边三维应力分布及接头失效情况。结果表明:套筒胶层的破坏应力和破坏位置主要集中在孔轴非接触区;当套筒胶层发生断裂时,厚截面层合板并未发生失效,限制了厚板接头耳片整体强度性能的提高。