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

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

The testing on the bearing strength of single-shear bolt jointed composite laminates structure is done.And the effect of the fixture on the testing results is analyzed. Then a macro-micro multi-scale analytical model combined with the improved"Generalized Method of Cells( GMC) "is developed,which is used to predict the macro bearing strength and to characterize the micro constitute material failure of the bolt jointed composite laminates structure. Both the contact conditions at the bolt/hole boundary and the contact conditions at the specimen/fixture boundary,progressive damage,and the material properties degradation are all taken account into the analytical model. Thus,the numerical simulation results agree well with the experimental results.Finally,the effect of the fixture on the testing results is characterized. The results show that the incomplete contaction between the fixture and the specimen or the lack of the lateral constraint on the specimen will affect the limited bearing strength and the offset bearing strength of the bolt jointed composite laminates structure. In addition,the lower support rigid of the fixture will affect the rigid of the bolt jointed composite laminates structure.