层合板螺栓连接的渐进失效分析

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文 章编 号 : 1 0 0 6 —3 2 6 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 —0 0 5 6 —0 5
层 合板 螺栓 连 接 的渐 进 失 效分 析
冯加 印 , 郭连 水 , 赵 昕 , 朱 荣 全。 , 党耀 石。
( 1 . 北 京 航 空 航 天 大 学 机 械 工 程 及 自动 化 学 院 , 北京 1 0 0 1 9 1 ;2 . 中 国人 民解 放 军 驻 国 营六 九 九 厂 军 事代 表 室 ; 3 . 北京遥感设备研究所 , 北京 1 0 0 0 3 9 )
析 各 铺 层 的 失 效过 程 和 失 效 形 式 特 点 , 得 到 层 合 板 的初 始 失 效 栽荷 和 最 终 失 效 栽荷 , 为 复 合 材 料 舍 孔 板 强 化 结 构 的研 究
复合材 料损 伤 的重 要性 引起 了众 多 国内外学 者 的兴趣 .Oc h o a 与E n g b l o ml _ 】 ] 对 复合 材 料 进行 了渐
进失 效分 析 , Ha s h i n _ 2 失 效 准则 用 于 判 断 层合 板 的
提供 一 定 参 考 . 关 键 词i 螺栓连接 ; 复合材料 ; 损伤 ; 有 限 元
文献 标 识 码 : A
中图分类号 : T B 3 3 0 . 1
失效 形式 , L e e [ 3 ] 提 出 的 损 伤 模 型 用 于 进 行 材 料 刚 度退 化 , 模 拟失 效 形式 .Hwa n g和 S u n _ 4 ] 运用 交 互 的3 D模 型 进 行 了渐 进 失 效 分 析 , 采 用 改进 的 Ts a i
2 . 1 分 析 流 程
典 型 的 渐进 失 效 计 算 方 法 如 图 1所 示 .在 每
为计 算 机 辅 助 设 计 与 制 造 .
个 载荷 步 中 , 有 限元 方 程 求 解 都 需 要 多次 迭 代 , 以
《 成组技术 与生产现代化》2 0 1 3年第 3 O卷第 4期
完 成非 线 性 分 析 .利 用 平 衡 方 程 , 从 非 线性 解 中 确 定所 有 铺 层 的应 力 场 .计 算 此 状 态 下 的 失 效 准

d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 6 —3 2 6 9 . 2 0 1 3 . 0 4 . 0 1 l
wu 失 效 准备 来 模 拟 纤 维 断 裂 和 集 体 开 比刚度 高 和 可设 计 性 好 等特 点 , 在航 空航 天领域 中得 到 了越来 越广 泛应用 . 目前 , 在 飞行 器复合 材料 重要 受力 结构 件之 间 , 由于 机 械连接 安全 、 可靠 、 传递 载荷 大 和耐环 境影 响等 突 出优点 , 因此 复合 材 料层 压 板 机 械 连 接仍 是 工 程 结 构 中经 常采用 的一 种连 接形 式.由于 孔边 通 常伴 随 应 力集 中 , 而复合 材 料 各 向异 性 使 其 连接 设 计 问题
摘 要 : 以 三 维 渐进 损 伤 理 论 为 基 础 , 采用 A NS YS
不 确定 因素 .因此 , 使 得对 复合 材 料 的损 伤 研 究 一 直 处 于探索性 阶段 , 无 法建 立 一 套 放 之 四海 而 皆准
的确定 性理论 .
的二 次 开发 语 言 , 建立 了复合材料 层舍板 螺栓 连接模 型 , 在 拉 伸 栽荷 下 对 含 孔 复合 材 料 板 进 行 数 值 失 效 模 拟 计 算 .分
变 得复 杂 , 因此这 类 结 构 的连 接 问题 已经成 为研 究 热 点.预测 含孔 洞层合 板 的强 度具 有 很强 的 实 际应
C h a n g _ 5 ] 提 出的损 伤模 型 模 拟 失效 形 式 .以上研 究 都是 对矩 形截 面 复合 材 料 的 拉 伸失 效 分 析 .C h a n g
连接强 度 的影响 .
用 价值 , 但需 要根 据 损 伤 累积 规 律 进 行 合 理 的 刚度
退化 和失效 过程 模拟 .
笔 者基于 3 D模型 , 利用 降低 刚度 的方 法来 模拟
损伤, 在A n s y s 软件 环境 中加 入 损 伤程 序 , 对 复 合材 料 螺栓连接 的损 伤扩展和连 接强度进行细致 研究.
则值 , 并 判 断 是 否 失 效 以及 是 何 种 失 效 形 式 .如
表1 复 合 材 料 失 效 准 则 及 材 料 性 能 退 化 破坏 形式 及 条件
纤维 断裂 失 效 ( >O ) 纤 维 压缩 失 效 ( D 1 1< O )
Ha s h i n 失效 准 则
果单元发生失 效 , 那 么 此 单 元 的 材 料 性 能 根 据 特 定退化模型退化 , 重 组 结 构 的 刚度 矩 阵 , 重 复 应 力 计 算 .因失 效 单 元 材 料 性 能 退 化 , 此 处 应 力 分 布 会发生变化 , 诱 发 周 围 单 元 发 生 失 效 .这 种 处 理 方 法 与 实 际 物 理 意 义 一 致 .循 环 失 效 单 元 材 料 性 能退化和应 力计 算过 程 , 直 至 没 有 失 效 发 生 .增
复合材 料损 伤形 式主 要有基 体 开裂 、 界 面脱 胶 、
分层及 纤维 断裂 等 , 而且损 伤 时间 比较长 , 存在 很多
2 渐 进 失 效 分 析
收 稿 日期 : 2 0 1 3 —0 5 —1 2 作者简介: 冯加 印( 1 9 8 7 一) , 男, 山东泰 安人 , 硕士研 究生 , 研 究 方 向
开发 了一 种 2 D层合材料的渐进失效分析模型 , 用
于模 拟压 缩 问题 , 采用 Ha s h i n失 效 准 则 进 行分 析 .
Ke r ma n i d i s 和 T s e r p e s _ 6 应 用 Ha h s i n失 效 准则 , 研
究 了螺 栓连接 的损 伤失 效积 累. 这 些文献 的分 析方 式 、 对 象虽 然不 同 , 但 是基 本 思 想都 是一致 的 , 都 利用 降低 刚 度来 模 拟实 际 中的 损 伤演 化.利用 二维 或三维 计算 模 型 可用 来研 究 铺 层顺 序 、 摩擦 系数 、 螺栓 一孔 配合 间隙 等参数 对螺 栓
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