一種復合材料機械連接數值分析方法的研究

胡海威

摘 要：該文采用基于Weibull分布的復合材料漸進損傷模型，編制了三維VUMAT子程序，并采用ABAQUS/Explicit模塊，對復合材料機械連接進行了數值建模分析。通過建立復合材料單釘連接和雙釘連接兩個數值模型，對數值分析方法的準確性進行驗證，并對復合材料機械連接的損傷模式進行了分析。研究表明，基于動態顯示的求解方法也可以準確地模擬復合材料機械連接問題。

關鍵詞：復合材料 機械連接 動態顯示 數值分析

中圖分類號：V214.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0038-03

機械連接具有安全、可靠、傳遞載荷大和耐環境影響等突出優點，是復合材料結構中最常用的連接形式[1]。當前國內外學者對復合材料機械連接的研究主要是數值模擬與試驗研究[2]。試驗研究是當前最常用的研究方法，但無法獲取復合材料中各鋪層的應力及損傷等信息。而數值摸擬具有高度的可視化和可操作性，建立準確的數值模型可彌補試驗的不足，為復合材料連接結構的設計和制造提供參考。當前對復合材料機械連接的數值模擬研究主要是基于ABAQUS建立復合材料機械連接的二維[3]或三維數值模型[4]探討數值模型的準確性，并通過調整連接的相關參數，分析不同參數對連接結構的影響[2]。這些模型大都是基于ABAQUS/Standard建立的，這種模型通常計算成本較高，且當局部發生嚴重損傷時，容易出現網格畸變而導致計算不收斂。ABAQUS/Explicit通常用于分析沖擊、爆炸等動力學問題，能高效地分析非線性大變形問題。因此，該文將研究一種基于ABAQUS/Explicit模塊探討復合材料機械連接的數值分析方法。

1 數值建模

該文采用基于Webull分布的復合材料漸進損傷模型，編制了VUMAT用戶自定義材料子程序。采用ABAQUS/CAE，建立了基于ABAQUS/Explicit的準靜態拉伸復合材料螺栓連接數值模型，包括單釘搭接和雙釘搭接兩個數模。模型均由兩塊相同的復合材料開孔板和簡化的螺栓裝配而成。參考陳詳忠[5]的試驗情況，數模尺寸如圖1所示。復合材料板鋪層方式均為[45/-45/0/90]s，單層厚0.225 mm。

考慮到夾持端為非考核區，這里將模型的夾持端簡化成了剛體，所有單元均采用C3D8R單元。螺栓與復合材料板之間均采用通用硬接觸，摩擦系數0.15。模型一端固支，對另一端沿軸向施加從0～1 mm線性均勻增加的位移載荷。對于給定的模型，ABAQUS/Explicit的最小分析步長是一致的。因此，用ABAQUS/Explicit求解時，設定的加載時間越短，計算效率越高。但是加載時間過短，當接近結構的固有振型頻率時，將會產生振動效應，此時的準靜態拉伸計算結果是無效的。對于上面兩個模型，當設定的加載時間為0.01 s時，均可獲得較為平滑的載荷-位移曲線。

2 計算結果與分析

2.1 結果驗證

圖2為通過計算所得的載荷-位移曲線。單釘連接和雙釘連接模型的載荷均隨著位移的增加而線性增加，但雙釘連接模型的載荷-位移曲線的斜率明顯大于單釘連接模型。說明雙釘連接接的連接剛度大于單釘連接。當接近極限載荷時，載荷-位移曲線會出現一定波動，這主要是由孔邊的擠壓破壞引起的。之后載荷急劇下降，代表釘孔徹底擠壓失效。

為了驗證模型的準確性，表1中分別給出了通過數值計算和試驗測得的極限載荷和極限強度。從表1中可以看出，單釘連接模型的計算正好位于試驗結果的范圍之內，而雙釘連接模型計算結果僅為試驗結果最小值的70%。相對試驗結果，數值計算結果整體偏低，但單釘連接模型準確度高于雙釘連接模型。這主要是因為搭接的極限強度受螺栓預緊力影響較大，適當增加螺栓預緊力大為可提高復合材料連接的極限強度，尤其是雙釘連接[6]而該文模擬的是0預緊力的情況。

2.2 損傷分析

圖3給出了單釘和雙釘連接的孔邊損傷示意圖。單釘和雙釘連接孔邊位于擠壓一側的單元基本已被全部刪除，即這些單元在加載過程中已經徹底失效，釘孔遭受擠壓破壞。對于雙釘連接，兩個螺栓傳遞的釘載是相同的。但通過圖中的損傷情況可以看出，同一塊板上的兩個孔所承擔的載荷并不相等，其靠近根部的孔承受的載荷大于靠近端部的孔，在加載過程中靠近根部孔邊提前失效。

3 結語

該文采用數值分析方法對復合材料機械連接問題進行了研究，并得出如下結論。

（1）通過施加從0開始均勻連續變化的載荷，基于動態顯示的ABAQUS/Explicit模塊也可用于分析準靜態問題。

（2）對于復合材料機械連接問題，在同樣的鋪層和厚度下，雙釘連接的連接剛度要大于單釘連接。

（3）對于雙釘連接，同一塊板上的兩孔所承受的載荷并不相等，接近根部的釘孔所承受的載荷較大。

參考文獻

[1] 王芳，趙美英，萬小朋.復合材料層壓板機械連接失效分析[J].機械設計，2006，7（23）：40-43.

[2] 尹玉，李小強，李東升，等.復合材料層合板機械連接研究進展[J].航空制造技術，2016（11）：72-77.

[3] 劉忠獻，聶江，郭璐璐.復合材料結構多釘連接設計、分析與試驗技術[J].航空制造技，2015（1）：109-114.

[4] 張九民，顧汝佳，李洪雙，等.基于響應面法的復合材料連接結構可靠性分析[J].計算力學學報，2016，5（33）：711-716.

[5] 陳祥忠，陸秋懿，鄭再象.碳纖維復合材料連接方式[J].揚州大學學報，2016，9（12）：33-36.

[6] 王花娟，楊杰，劉興東，等.復合材料機械連接強度影響因素的研究進展[J].材料導報，2017，21（F11）：438-440.