復(fù)合材料機(jī)械連接數(shù)值模擬技術(shù)

由于復(fù)合材料的脆性、彈性和強(qiáng)度等性能參數(shù)的各向異性的特性，使得其無(wú)論是靜載分析還是疲勞分析均比金屬材料的分析復(fù)雜；層合板的層間特性和疲勞分析中材料性能的退化，更是加劇了問(wèn)題的復(fù)雜性。應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性、失效準(zhǔn)則的合理性及材料性能退化準(zhǔn)則的客觀性，為數(shù)值模擬方法的可行性及其結(jié)果的可信性奠定了基礎(chǔ)。

復(fù)合材料可改善結(jié)構(gòu)性能，具有顯著的減重效益，在航空航天結(jié)構(gòu)中已由次承力件發(fā)展為主承力件，且應(yīng)用面逐步擴(kuò)大。整體化和大型化是航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)。但目前而言，復(fù)材結(jié)構(gòu)的連接問(wèn)題仍然存在。機(jī)械連接安全可靠并可傳遞大載荷，所以在復(fù)材結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。然而孔的加工工藝會(huì)引起不可預(yù)測(cè)的初始損傷，破壞材料的連續(xù)性，對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性和承載能力帶來(lái)不利影響；由于復(fù)合材料是脆性的各項(xiàng)異性材料，其孔周應(yīng)力集中比金屬嚴(yán)重得多。因此，連接部位通常是復(fù)材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接進(jìn)行全面可靠地分析，周期長(zhǎng)、成本高；解析法只能處理簡(jiǎn)單的問(wèn)題，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析卻無(wú)能為力。相比較而言，數(shù)值模擬方法可靠、成本低、效率高，還可考慮各種結(jié)構(gòu)形式、載荷及邊界條件非常適合于工程應(yīng)用。本課題總結(jié)了數(shù)值模擬中的有限元法在復(fù)合材料機(jī)械連接中的應(yīng)用。 內(nèi)容來(lái)自123456

影響因素

影響復(fù)材板機(jī)械連接接頭力學(xué)行為的因素很多，有限元研究方面主要有以下幾點(diǎn)：（1）材料力學(xué)參數(shù)：?jiǎn)蜗驅(qū)影宓膹椥院蛷?qiáng)度參數(shù)、鋪層角及疊放次序、不同角度層的比例、復(fù)材性能的分散性、緊固件材料性能；（2）結(jié)構(gòu)形式：搭接形式、開孔布局、端距或邊距、搭接長(zhǎng)度等幾何尺寸；（3）緊固件：緊固件類型及尺寸、螺栓預(yù)緊力；（4）接觸：釘孔間隙或干涉量、摩擦；（5）工作環(huán)境：溫度、濕度等。

搭接形式

機(jī)械連接包括鉚接、螺栓連接和銷釘連接等。按板的搭接形式一般可以分為單搭接和雙搭接。螺接的主要優(yōu)點(diǎn)是易于拆卸、方便結(jié)構(gòu)維護(hù)和適宜于傳遞大載荷的情形。緊固件（包括銷釘、鉚釘、螺釘或螺栓等）的傾斜和彎曲、預(yù)緊力和板的次彎曲等因素，使得接頭中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)呈三維分布，釘孔接觸應(yīng)力在板厚方向分布極不均勻，且存在很大的應(yīng)力集中[1-2]。復(fù)合材料是一種彈脆性材料，不像金屬材料那樣具有明顯的塑性階段，因此，應(yīng)力集中對(duì)復(fù)合材料開孔處的影響更加明顯?？走叺膶娱g應(yīng)力使其附近應(yīng)力場(chǎng)三維效應(yīng)更加明顯，在很大程度上影響到接頭的失效模式[2]。

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單搭、雙搭接頭是美國(guó)ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于復(fù)材機(jī)械連接性能測(cè)試的兩種標(biāo)準(zhǔn)配置形式[3]，廣泛應(yīng)用于各種實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的大多危險(xiǎn)部位均位于單搭接頭，因此研究單搭接頭比雙搭接頭更具代表性。然而，在單搭接頭的兩端施加拉伸載荷時(shí)，由于載荷的偏心，接頭中產(chǎn)生附加彎矩，該彎矩使板發(fā)生面外變形，這就是所謂的“次彎曲”（Secondary Bending）效應(yīng) [4-6]。次彎曲是單搭接頭的固有屬性，不僅改變接頭的局部應(yīng)變場(chǎng)，還會(huì)降低連接板縱向剛度，影響其總體響應(yīng)。

失效模式

由于材料性能的各向異性及接頭所受載荷的復(fù)雜性等原因，復(fù)材層合板的失效模式極為復(fù)雜。相對(duì)來(lái)說(shuō)，單向?qū)雍习宓氖Ｊ奖容^簡(jiǎn)單，也是最基本的，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效分析很有幫助[7]。對(duì)于承受單向拉伸載荷的單層板，其層合板常見失效模式如圖1所示[3]。 123456



其中拉伸失效、剪切失效以及擠壓失效是因承受面內(nèi)載荷而發(fā)生的；當(dāng)承受面外載荷時(shí)，緊固件還可能從接頭中拉出，即所謂的“拉脫”。層板的拉伸失效與基體和纖維的拉伸失效有關(guān)，通常發(fā)生于寬徑比很小，或者旁路載荷與緊固件承載比較大時(shí)。剪切破壞和擠壓破壞則主要是由纖維和基體的壓縮破壞引起的。拉伸破壞與剪切破壞是災(zāi)難性的，而擠壓破壞則是隨載荷和時(shí)間慢慢累積的，是結(jié)構(gòu)局部的失效，不會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞[8]。在以上幾種破壞模式的基礎(chǔ)上，隨載荷及時(shí)間的變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)擠壓破壞后，還可能發(fā)生一系列后續(xù)的破壞[9]，如圖1中的（d）和（e）所示。實(shí)際應(yīng)用中復(fù)材接頭可能存在多種破壞模式，發(fā)生混合破壞，使得接頭設(shè)計(jì)和分析更加困難[10]。

累積損傷分析 內(nèi)容來(lái)自123456

在有限元數(shù)值模擬中，將復(fù)合材料層合板的首層失效（First PlyFailure）作為其失效標(biāo)準(zhǔn)的分析偏于保守，因此，分析結(jié)構(gòu)的最終失效（Last Ply Failure）對(duì)提高復(fù)材接頭的使用效率具有更為重要的意義[11]。累積損傷分析（Progressive DamageAnalysis）通過(guò)采用材料參數(shù)退化模型能更加準(zhǔn)確地反映接頭的承載能力，而且還可模擬最終失效前初始損傷的產(chǎn)生及其擴(kuò)展，是一種相對(duì)理想的模擬方法。累積損傷分析已廣泛應(yīng)用于復(fù)材層合板接頭的各種受載分析中，如靜強(qiáng)度[12-14]、釘群連接釘載分配、蠕變、濕熱效應(yīng)、疲勞壽命預(yù)測(cè)及損傷失效[15-16]、魯棒優(yōu)化分析[17]等的研究中，為結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。應(yīng)力分析、失效準(zhǔn)則及材料性能退化準(zhǔn)則的建立嚴(yán)重地影響累積損傷有限元模擬的結(jié)果。因此，應(yīng)力分析中應(yīng)盡可能建立準(zhǔn)確合理的模型，同時(shí)謹(jǐn)慎地選擇失效準(zhǔn)則和合乎實(shí)際的材料性能退化準(zhǔn)則[18]。

（1） 應(yīng)力分析

正確的應(yīng)力分析是累積損傷分析的基礎(chǔ)。由于復(fù)材性能的各向異性，不同方向角的鋪層按一定順序疊合在一起時(shí)會(huì)造成材料性能的不連續(xù)，數(shù)學(xué)上在板的自由邊界處（包括孔邊緣）存在應(yīng)力奇異（StressSingularity）[19]。而材料強(qiáng)度是一定的，所以實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力是有限值，不存在應(yīng)力奇異。但是層間應(yīng)力集中卻是不可避免的[20-21]，顯然，若計(jì)算偏差過(guò)大或應(yīng)力集中處理不當(dāng)（即應(yīng)力分析不當(dāng)），錯(cuò)誤的失效判斷使接頭強(qiáng)度的預(yù)測(cè)也不準(zhǔn)確[22]。

（2）失效準(zhǔn)則

復(fù)材的失效，無(wú)論是靜載失效還是疲勞失效，大致上可分為由基體控制為主的失效或由纖維控制為主的失效兩類，包括纖維拉伸、纖維壓縮、纖維- 基體剪切、基體拉伸、基體壓縮、橫向拉伸和橫向壓縮等[18]。目前沒有一個(gè)對(duì)于所有失效均可同時(shí)適用的失效表達(dá)式，一般對(duì)不同的失效機(jī)理需采用不同表達(dá)式作為其失效準(zhǔn)則。經(jīng)典的Tsai-Wu準(zhǔn)則[23]對(duì)判斷首層失效是有效的，但無(wú)法識(shí)別失效模式；最大應(yīng)力或應(yīng)變準(zhǔn)則可確定失效模式，但因未考慮各應(yīng)力間相互作用而顯得相對(duì)保守；Hashin準(zhǔn)則[24]以二次多項(xiàng)式的形式，根據(jù)不同失效模式給出不同的失效表達(dá)式，在累積損傷分析中應(yīng)用方便。另外，還有研究者將多準(zhǔn)則混合使用，或者使用其他的或修正的失效準(zhǔn)則[25-27]。

（3）材料性能退化準(zhǔn)則

通過(guò)選取合適的失效準(zhǔn)則判斷出結(jié)構(gòu)局部失效后，需適時(shí)地按照一系列材料性能退化準(zhǔn)則（MaterialProperty Degradation Rule）降低失效單元的材料性能，以使其對(duì)外部載荷做出與實(shí)際相符或足夠接近的響應(yīng)。靜載和疲勞失效剛度退化的程度是不同的，層合板在最終失效之前，若使用靜載失效準(zhǔn)則，則不存在剛度退化的問(wèn)題；若使用疲勞失效準(zhǔn)則，則使用材料性能漸進(jìn)退化（GradualMaterial Property Degradation）方式。為便于說(shuō)明，現(xiàn)考慮靜載下的層合板，當(dāng)載荷單調(diào)增至一定值時(shí)，若檢測(cè)到某層失效，則失效區(qū)域的力學(xué)性能將發(fā)生突變，這是材料性能的驟變退化（Sudden Material PropertyDegradation）。對(duì)于承受疲勞載荷的層合板，當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)少時(shí)，其疲勞強(qiáng)度高，不發(fā)生失效；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，材料性能逐漸降低，應(yīng)對(duì)其漸進(jìn)退化；循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增至一定值時(shí)，若檢測(cè)到失效，則結(jié)構(gòu)性能突變，應(yīng)及時(shí)修改其力學(xué)參數(shù)[18]。 copyright 123456

（4）特征曲線法

結(jié)構(gòu)發(fā)生初始破壞之后、最終破壞之前，在損傷累積及載荷重新分配過(guò)程中，包含多角度鋪層的層合板一般仍具備繼續(xù)承載的能力，也即初始損傷載荷低于極限載荷。由于孔邊存在極大的應(yīng)力集中，在預(yù)測(cè)接頭的最終失效強(qiáng)度時(shí)，對(duì)所有單元進(jìn)行失效評(píng)估的方式顯得過(guò)于保守，為此，相關(guān)研究人員發(fā)展了特征曲線法（Characteristic Curve Method）。Waddoups等[28]提出“等價(jià)缺陷”（Equivalent Flaw）的概念，利用線彈性破壞力學(xué)方法預(yù)測(cè)帶應(yīng)力集中的復(fù)材結(jié)構(gòu)的最終失效，其模型考慮了結(jié)構(gòu)最終失效前已存在非災(zāi)難性損傷，層板的強(qiáng)度由固有缺陷（InherentFlaw）區(qū)域的長(zhǎng)度a和無(wú)孔板縱向拉伸強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估。Whitney與Nuismer提出了兩種替代模型[29]：

· 點(diǎn)應(yīng)力模型——距離孔邊界一定距離rot的點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到無(wú)孔板的強(qiáng)度XLT時(shí)發(fā)生最終失效；
· 平均應(yīng)力模型——距孔邊界一定距離rot范圍內(nèi)的平均應(yīng)力達(dá)到無(wú)孔板的強(qiáng)度XLT時(shí)發(fā)生最終失效。

Chang等[30]將Whitney與Nuismer的特征距離的概念應(yīng)用到復(fù)材接頭的強(qiáng)度預(yù)測(cè)當(dāng)中，H.A.Whitworth等[31]也將其應(yīng)用到銷釘連接復(fù)材接頭的強(qiáng)度預(yù)測(cè)中。Jin-Hwe Kweon等[32]則提出了一種利用有限元方法確定特征長(zhǎng)度的方法，完全脫離了特征長(zhǎng)度的測(cè)試試驗(yàn)，大大節(jié)約了分析成本和時(shí)間。利用特征曲線法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，首先根據(jù)應(yīng)力分析確定拉伸和壓縮特征長(zhǎng)度，進(jìn)而確定特征曲線，然后對(duì)特征曲線上的單元進(jìn)行失效評(píng)估，檢測(cè)到失效時(shí)的外載便是結(jié)構(gòu)的失效載荷。特征曲線法在復(fù)材接頭強(qiáng)度預(yù)測(cè)中具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，可以得到與試驗(yàn)接近的結(jié)果。

多釘連接載荷分配

為了傳遞更大的載荷，工程中常使用多排緊固件的接頭。復(fù)材的脆性、力學(xué)性能的各向異性等特點(diǎn)，使得多釘接頭從開始加載到加載至極限載荷的整個(gè)過(guò)程中，各釘排載荷分配一直嚴(yán)重不均勻。由于相對(duì)承載大的釘孔最先發(fā)生破壞，層合板的性能無(wú)法得到充分發(fā)揮，大大降低了連接效率[33]。謝鳴九[34]研究了2~10排釘連接的各釘排的承載比例，發(fā)現(xiàn)釘排數(shù)越多，中間的釘排承載越小，多于4排釘?shù)倪B接對(duì)降低最嚴(yán)重釘排承載比例的作用很?。粭顣杂畹萚35]研究了不同剛度板的連接，其釘載分配類似，但不再對(duì)稱，載荷向剛度大的板一側(cè)的螺栓上轉(zhuǎn)移；P.J.Gray等[5]研究了釘孔間隙對(duì)釘載分配的影響，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)接頭的釘孔間隙被消除后，間隙配合的孔才開始承載，間隙量越大，其開始承載越滯后；Johan Ekh 等[6,36]研究了釘孔間隙、螺栓預(yù)緊力及摩擦等因素對(duì)釘載分配的影響，發(fā)現(xiàn)間隙量對(duì)釘載分配影響最大，任何微小的改變都將使載荷向間隙最小的緊固件上轉(zhuǎn)移，還發(fā)現(xiàn)提高緊固件的剛度將使離其最近的緊固件上的一部分載荷向該釘上轉(zhuǎn)移。鑒于間隙量對(duì)釘載分配的影響，當(dāng)具有不同濕熱膨脹性能的板相互連接時(shí)，溫度、濕度對(duì)釘載分配也起著不可忽視的作用，復(fù)材連接釘載分配中的濕熱效應(yīng)還有待深入研究。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)值模擬技術(shù)是一種新且有效的求解各種工程問(wèn)題的近似方法，研究人員已成功將該技術(shù)應(yīng)用到了復(fù)材機(jī)械連接技術(shù)的相關(guān)分析中。由于復(fù)合材料的脆性、彈性和強(qiáng)度等性能參數(shù)的各向異性的特性，使得其無(wú)論是靜載分析還是疲勞分析均比金屬材料的分析復(fù)雜；層合板的層間特性和疲勞分析中材料性能的退化，更是加劇了問(wèn)題的復(fù)雜性。應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性、失效準(zhǔn)則的合理性及材料性能退化準(zhǔn)則的客觀性，為數(shù)值模擬方法的可行性及其結(jié)果的可信性奠定了基礎(chǔ)。

在后續(xù)的研究工作中，應(yīng)該建立起可視化的、參數(shù)化的有限元分析軟件包，以簡(jiǎn)化復(fù)材機(jī)械連接分析的過(guò)程。該軟件包不但要為復(fù)材分析提供專門的良好的交互式建模、后續(xù)處理的GUI 界面、豐富的材料庫(kù)、目前研究中常用的失效準(zhǔn)則和材料性能退化準(zhǔn)則，而且還應(yīng)為用戶自定義材料、失效準(zhǔn)則和退化準(zhǔn)則提供簡(jiǎn)單易行的接口，以降低對(duì)分析者的專業(yè)性的要求，避免分析準(zhǔn)確度過(guò)度地依賴使用者的經(jīng)驗(yàn)。

航空制造技術(shù)2013