一种复合材料机械连接数值分析方法的研究

胡海威

摘 要：该文采用基于Weibull分布的复合材料渐进损伤模型，编制了三维VUMAT子程序，并采用ABAQUS/Explicit模块，对复合材料机械连接进行了数值建模分析。通过建立复合材料单钉连接和双钉连接两个数值模型，对数值分析方法的准确性进行验证，并对复合材料机械连接的损伤模式进行了分析。研究表明，基于动态显示的求解方法也可以准确地模拟复合材料机械连接问题。

关键词：复合材料 机械连接 动态显示 数值分析

中图分类号：V214.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0038-03

机械连接具有安全、可靠、传递载荷大和耐环境影响等突出优点，是复合材料结构中最常用的连接形式[1]。当前国内外学者对复合材料机械连接的研究主要是数值模拟与试验研究[2]。试验研究是当前最常用的研究方法，但无法获取复合材料中各铺层的应力及损伤等信息。而数值摸拟具有高度的可视化和可操作性，建立准确的数值模型可弥补试验的不足，为复合材料连接结构的设计和制造提供参考。当前对复合材料机械连接的数值模拟研究主要是基于ABAQUS建立复合材料机械连接的二维[3]或三维数值模型[4]探讨数值模型的准确性，并通过调整连接的相关参数，分析不同参数对连接结构的影响[2]。这些模型大都是基于ABAQUS/Standard建立的，这种模型通常计算成本较高，且当局部发生严重损伤时，容易出现网格畸变而导致计算不收敛。ABAQUS/Explicit通常用于分析冲击、爆炸等动力学问题，能高效地分析非线性大变形问题。因此，该文将研究一种基于ABAQUS/Explicit模块探讨复合材料机械连接的数值分析方法。

1 数值建模

该文采用基于Webull分布的复合材料渐进损伤模型，编制了VUMAT用户自定义材料子程序。采用ABAQUS/CAE，建立了基于ABAQUS/Explicit的准静态拉伸复合材料螺栓连接数值模型，包括单钉搭接和双钉搭接两个数模。模型均由两块相同的复合材料开孔板和简化的螺栓装配而成。参考陈详忠[5]的试验情况，数模尺寸如图1所示。复合材料板铺层方式均为[45/-45/0/90]s，单层厚0.225 mm。

考虑到夹持端为非考核区，这里将模型的夹持端简化成了刚体，所有单元均采用C3D8R单元。螺栓与复合材料板之间均采用通用硬接触，摩擦系数0.15。模型一端固支，对另一端沿轴向施加从0～1 mm线性均匀增加的位移载荷。对于给定的模型，ABAQUS/Explicit的最小分析步长是一致的。因此，用ABAQUS/Explicit求解时，设定的加载时间越短，计算效率越高。但是加载时间过短，当接近结构的固有振型频率时，将会产生振动效应，此时的准静态拉伸计算结果是无效的。对于上面两个模型，当设定的加载时间为0.01 s时，均可获得较为平滑的载荷-位移曲线。

2 计算结果与分析

2.1 结果验证

图2为通过计算所得的载荷-位移曲线。单钉连接和双钉连接模型的载荷均随着位移的增加而线性增加，但双钉连接模型的载荷-位移曲线的斜率明显大于单钉连接模型。说明双钉连接接的连接刚度大于单钉连接。当接近极限载荷时，载荷-位移曲线会出现一定波动，这主要是由孔边的挤压破坏引起的。之后载荷急剧下降，代表钉孔彻底挤压失效。

为了验证模型的准确性，表1中分别给出了通过数值计算和试验测得的极限载荷和极限强度。从表1中可以看出，单钉连接模型的计算正好位于试验结果的范围之内，而双钉连接模型计算结果仅为试验结果最小值的70%。相对试验结果，数值计算结果整体偏低，但单钉连接模型准确度高于双钉连接模型。这主要是因为搭接的极限强度受螺栓預紧力影响较大，适当增加螺栓预紧力大为可提高复合材料连接的极限强度，尤其是双钉连接[6]而该文模拟的是0预紧力的情况。

2.2 损伤分析

图3给出了单钉和双钉连接的孔边损伤示意图。单钉和双钉连接孔边位于挤压一侧的单元基本已被全部删除，即这些单元在加载过程中已经彻底失效，钉孔遭受挤压破坏。对于双钉连接，两个螺栓传递的钉载是相同的。但通过图中的损伤情况可以看出，同一块板上的两个孔所承担的载荷并不相等，其靠近根部的孔承受的载荷大于靠近端部的孔，在加载过程中靠近根部孔边提前失效。

3 结语

该文采用数值分析方法对复合材料机械连接问题进行了研究，并得出如下结论。

（1）通过施加从0开始均匀连续变化的载荷，基于动态显示的ABAQUS/Explicit模块也可用于分析准静态问题。

（2）对于复合材料机械连接问题，在同样的铺层和厚度下，双钉连接的连接刚度要大于单钉连接。

（3）对于双钉连接，同一块板上的两孔所承受的载荷并不相等，接近根部的钉孔所承受的载荷较大。

参考文献

[1] 王芳，赵美英，万小朋.复合材料层压板机械连接失效分析[J].机械设计，2006，7（23）：40-43.

[2] 尹玉，李小强，李东升，等.复合材料层合板机械连接研究进展[J].航空制造技术，2016（11）：72-77.

[3] 刘忠献，聂江，郭璐璐.复合材料结构多钉连接设计、分析与试验技术[J].航空制造技，2015（1）：109-114.

[4] 张九民，顾汝佳，李洪双，等.基于响应面法的复合材料连接结构可靠性分析[J].计算力学学报，2016，5（33）：711-716.

[5] 陈祥忠，陆秋懿，郑再象.碳纤维复合材料连接方式[J].扬州大学学报，2016，9（12）：33-36.

[6] 王花娟，杨杰，刘兴东，等.复合材料机械连接强度影响因素的研究进展[J].材料导报，2017，21（F11）：438-440.