复合材料机械连接数值模拟技术.pdf

e 。丛e 。s ! z t ss 。“。t “o ! i ! j ：! 童坠 模拟技术 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nT e c h n o l o g yo fM e c h a n i c a l B o n d i n gf o rC o m p o s i t e s 西北工业大学机电学院张岐良曹增强 中航工业成都飞机设计研究所杨军 张岐良 西北工业大学机电学院博士研究 生主要从事大型飞机制造中复合材 料机械连接技术的研究工作。 复合材料可改善结构性能，具有 显著的减重效益，在航空航天结构中 已由次承力件发展为主承力件，且应 用面逐步扩大。整体化和大型化是 航空航天复合材料结构件的发展趋 势。但目前而言，复材结构的连接问 题仍然存在。机械连接安全可靠并 可传递大载荷，所以在复材结构中应 用广泛。然而孔的加工工艺会引起 不可预测的初始损伤，破坏材料的连 由于复合材料的脆性、弹性和强度等性能参数的各向 异性的特性，使得其无论是静载分析还是疲劳分析均比金 属材料的分析复杂；层合板的层间特性和疲劳分析中材料 性能的退化，更是加剧了问题的复杂性。应力分析的准确 性、失效准则的合理性及材料性能退化准则的客观性，为 数值模拟方法的可行性及其结果的可信性奠定了基础。 续性，对结构的完整性和承载能力带 来不利影响；由于复合材料是脆性 的各项异性材料，其孔周应力集中比 金属严重得多。因此，连接部位通常 是复材结构强度的薄弱环节。实验 对复合材料机械连接进行全面可靠 地分析，周期长、成本高；解析法只 能处理简单的问题，对复杂结构的分 析却无能为力。相比较而言，数值模 拟方法可靠、成本低、效率高，还可考 虑各种结构形式、载荷及边界条件非 常适合于工程应用。本课题总结了 数值模拟中的有限元法在复合材料 机械连接中的应用。 影响因素 影响复材板机械连接接头力学 行为的因素很多，有限元研究方面 主要有以下几点：( 1 ) 材料力学参数 单向层板的弹性和强度参数、铺层角 及叠放次序、不同角度层的比例、复 材性能的分散性、紧固件材料性能 ( 2 ) 结构形式：搭接形式、开孔布局、 端距或边距、搭接长度等几何尺寸 ( 3 ) 紧固件：紧固件类型及尺寸、螺 栓预紧力；( 4 ) 接触：钉孔间隙或干 涉量、摩擦；( 5 ) 工作环境：温度、湿 度等。 搭接形式 机械连接包括铆接、螺栓连接和 销钉连接等。按板的搭接形式一般 可以分为单搭接和双搭接。螺接的 主要优点是易于拆卸、方便结构维护 和适宜于传递大载荷的情形。紧固 件( 包括销钉、铆钉、螺钉或螺栓等) 2 0 1 1 年第2 0 期航空翻造技术8 5 万方数据 1 ：l ! ：! ：芏 ；! ：塑g Q 丛Q 墨匹呈曼垦Q 鲢旦，鲢鱼 的倾斜和弯曲、预紧力和板的次弯曲 等因素，使得接头中的应力应变场呈 三维分布，钉孔接触应力在板厚方向 分布极不均匀，且存在很大的应力集 中 I - 2 1 0 复合材料是一种弹脆性材料， 不像金属材料那样具有明显的塑性 阶段，因此，应力集中对复合材料开 孔处的影响更加明显。孑L 边的层问 应力使其附近应力场三维效应更加 明显，在很大程度上影响到接头的失 效模式【2 】。 单搭、双搭接头是美国A S T M 标 准中关于复材机械连接性能测试的 两种标准配置形式【3 J ，广泛应用于各 种实验和数值模拟研究。由于飞机 结构的大多危险部位均位于单搭接 头，因此研究单搭接头比双搭接头更 具代表性。然而，在单搭接头的两端 施加拉伸载荷时，由于载荷的偏心， 接头中产生附加弯矩，该弯矩使板发 生面外变形，这就是所谓的“次弯曲” ( S e c o n d a r yB e n d i n g ) 效应J 。次弯 曲是单搭接头的同有属性，不仅改变 接头的局部应变场，还会降低连接板 纵向刚度，影响其总体响应。 失效模式 由于材料性能的各向异性及接 头所受载荷的复杂性等原因，复材层 合板的失效模式极为复杂。相对来 说，单向层合板的失效模式比较简 单，也是最基本的，对复合材料结构 的失效分析很有帮助 7 1 。对于承受 单向拉伸载荷的单层板，其层合板常 见失效模式如图1 所示p J 。 其中拉伸失效、剪切失效以及挤 压失效是因承受面内载荷而发生的； 当承受面外载荷时，紧同件还可能从 接头中拉出，即所谓的“拉脱”。层 板的拉伸失效与基体和纤维的拉伸 失效有关，通常发生于宽径比很小， 或者旁路载荷与紧固件承载比较大 时。剪切破坏和挤压破坏则主要是 由纤维和基体的压缩破坏引起的。 拉伸破坏与剪切破坏是灾难性的，而 挤压破坏则是随载荷和时间慢慢累 积的，是结构局部的失效，不会带来 结构的灾难性破坏【8 】。在以上几种 破坏模式的基础上，随载荷及时间的 变化，当结构挤压破坏后，还可能发生 一系列后续的破坏例，如图1 中的( d ) 和( e ) 所示。实际应用中复材接头可 能存在多种破坏模式，发生混合破坏， 使得接头设计和分析更加困难 1 0 1 。 累积损伤分析 在有限元数值模拟中，将复合 材料层合板的首层失效( F i r s tP l y F a i l u r e ) 作为其失效标准的分析偏 于保守，因此，分析结构的最终失效 ( L a s tP l yF a i l u r e ) 对提高复材接头的 使用效率具有更为重要的意义 1 1 J 0 累积损伤分析( P r o g r e s s i v eD a m a g e A n a l y s i s ) 通过采用材料参数退化模 型能更加准确地反映接头的承载能 力，而且还可模拟最终失效前初始损 伤的产生及其扩展，是一种相对理想 的模拟方法。累积损伤分析已广泛 应用于复材层合板接头的各种受载 分析中，如静强度1 1 2 4 J 、钉群连接钉 载分配、蠕变、湿热效应、疲劳寿命预 测及损伤失效。6 l 、鲁棒优化分析 等的研究中，为结构的合理设计提供 了重要依据。应力分析、失效准则及 材料性能退化准则的建立严重地影 响累积损伤有限元模拟的结果。因 此，应力分析中应尽可能建立准确合 理的模型，同时谨慎地选择失效准则 和合乎实际的材料性能退化准则1 1 8 1 。 ( 1 ) 应力分析。 正确的应力分析是累积损伤分 析的基础。由于复材性能的各向异 性，不同方向角的铺层按一定顺序 叠合在一起时会造成材料性能的 不连续，数学上在板的自由边界处 ( 包括孑L 边缘) 存在应力奇异( S t r e s s S i n g u l a r i t y ) 1 9 1 0 而材料强度是一定 的，所以实验中的应力是有限值，不 存在应力奇异。但是层间应力集中 却是不可避免的猢，显然，若计算 偏差过大或应力集中处理不当( 即应 力分析不当) ，错误的失效判断使接 头强度的预测也不准确( 2 2 1 。 ( 2 ) 失效准则。 复材的失效，无论是静载失效还 是疲劳失效，大致上可分为由基体控 制为主的失效或由纤维控制为主的 失效两类，包括纤维拉伸、纤维压缩、 纤维一基体剪切、基体拉伸、基体压 缩、横向拉伸和横向压缩等 1 8 1 0 目前 没有一个对于所有失效均可同时适 用的失效表达式，一般对不同的失效 机理需采用不同表达式作为其失效 准则。经典的T s a i w u 准则【2 3 J 对判 断首层失效是有效的，但无法识别失 效模式；最大应力或应变准则可确 定失效模式，但因未考虑各应力间相 互作用而显得相对保守；H a s h i n 准 则1 以二次多项式的形式，根据不 同失效模式给出不同的失效表达式， 在累积损伤分析中应用方便。另外， 还有研究者将多准则混合使用，或者 使用其他的或修正的失效准则盼2 7 1 。 ( 3 ) 材料性能退化准则。 ( a ) 拉伸( b ) 剪切 8 6 航空制造技术2 0 1 1 年第2 0 期 ( c ) 挤压( d ) 撕断( e ) 劈裂 图1 承载试验失效模式 万方数据 要Q 丛已Q 墨竖曼s 旦Q 盟Q ；基鱼：；i ：燮 通过选取合适的失效准则判断 出结构局部失效后，需适时地按照 一系列材料性能退化准则( M a t e r i a l P r o p e r t yD e g r a d a t i o nR u l e ) 降低失效 单元的材料性能，以使其对外部载荷 做出与实际相符或足够接近的响应。 静载和疲劳失效刚度退化的程度是 不同的，层合板在最终失效之前，若 使用静载失效准则，则不存在刚度 退化的问题；若使用疲劳失效准则， 则使用材料性能渐进退化( G r a d u a l M a t e r i a lP r o p e r t yD e g r a d a t i o n ) 方式。 为便于说明，现考虑静载下的层合 板，当载荷单调增至一定值时，若检 测到某层失效，则失效区域的力学 性能将发生突变，这是材料性能的 骤变退化( S u d d e nM a t e r i a lP r o p e r t y D e g r a d a t i o n ) 。对于承受疲劳载荷的 层合板，当载荷循环次数少时，其疲 劳强度高，不发生失效；随着循环次 数的增加，材料性能逐渐降低，应对 其渐进退化；循环次数继续增至一 定值时，若检测到失效，则结构性能 突变，应及时修改其力学参数 1 8 j 。 ( 4 ) 特征曲线法。 结构发生初始破坏之后、最终破 坏之前，在损伤累积及载荷重新分配 过程中，包含多角度铺层的层合板一 般仍具备继续承载的能力，也即初始 损伤载荷低于极限载荷。由于孔边 存在极大的应力集中，在预测接头 的最终失效强度时，对所有单元进 行失效评估的方式显得过于保守， 为此，相关研究人员发展了特征曲 线法( C h a r a c t e r i s t i cC u r v eM e t h o do W a d d o u p s 等 2 剐提出“等价缺陷” ( E q u i v a l e n tF l a w ) 的概念，利用线弹 性破坏力学方法预测带应力集中的 复材结构的最终失效，其模型考虑了 结构最终失效前已存在非灾难性损 伤，层板的强度由固有缺陷( I n h e r e n t F l a w ) 区域的长度口和无孑L 板纵向 拉伸强度两个参数来评估。W h i t n e Y 与N u i s m e r 提出了两种替代模型1 2 9 1 ： 点应力模型距离孔边界 定距离心，的点的应力达到无孔板 的强度霹时发生最终失效； 平均应力模型距孑L 边界 一定距离i 范围内的平均应力达 到无孔板的强度群时发生最终失 效。 C h a n g 等【3 0 1 将W h i t n e y 与 N u i s m e r 的特征距离的概念应用 到复材接头的强度预测当中，H A W h i t w o r t h 等【3 1 1 也将其应用到销钉 连接复材接头的强度预测中。J i n H w eK w e o n 等吲则提出了一种利用 有限元方法确定特征长度的方法，完 全脱离了特征长度的测试试验，大大 节约了分析成本和时间。利用特征 曲线法预测结构强度时，首先根据应 力分析确定拉伸和压缩特征长度，进 而确定特征曲线，然后对特征曲线上 的单元进行失效评估，检测到失效时 的外载便是结构的失效载荷。特征 曲线法在复材接头强度预测中具有 很明显的优势，可以得到与试验接近 的结果。 多钉连接载荷分配 为了传递更大的载荷，工程中常 使用多排紧固件的接头。复材的脆 性、力学性能的各向异性等特点，使 得多钉接头从开始加载到加载至极 限载荷的整个过程中，各钉排载荷分 配一直严重不均匀。由于相对承载 大的钉孔最先发生破坏，层合板的性 能无法得到充分发挥，大大降低了连 接效率 3 3 1 。谢鸣九 3 4 1 研究了2 1 0 排钉连接的各钉排的承载比例，发 现钉排数越多，中间的钉排承载越 小，多于4 排钉的连接对降低最严重 钉排承载比例的作用很小；杨晓宇 等1 3