GBJM方法在復合材料機械連接釘載分配中的應用研究

陳櫟同 劉明明 戴方適

摘 要 本文對現有復合材料機械連接計算釘載分載主要數值方法進行梳理，并重點對GBJM方法進行了介紹。同時通過建立典型連接結構形式有限元模型應用GBJM方法進行釘載計算并與試驗值進行對比，證明新方法計算效率高、與試驗值吻合度高的優點。為后續研究、預測復合材料釘孔失效問題提供了幫助。

關鍵詞 復合材料;釘載分配;有限元模型;GBJM

引言

復合材料結構連接設計中，機械連接由于其易拆卸、維護，工藝性好，傳載能力強，等特點，被用作為主要連接形式。但由于復合材料各向異性、延展性差、層間剪切強度低等特點，使得其失效形式眾多，所以為進一步分析復合材料機械連接失效形式，確定連接區釘載分配變得尤為重要。

釘載分配分析作為強度估算的基礎主要有三種分析方法：試驗法、解析法和數值法，它們各有優缺點。數值法作為目前普遍采用且適用性較廣的一種方法，一直受到青睞，本文對基于GBJM方法的復合材料多釘連接結構釘載分配計算進行了研究。

1現有數值方法

目前確定復合材料釘載分配主要方法有兩種。一種為試驗測量。在使用該方法時，由于復合材料受工藝性影響其性能參數具有分散性，往往需要設置多組試驗件才能得到相對準確的測量結果，其耗時長，需要大量準備工作以及設備，尤其對于大尺寸復合材料連接試驗，成本高，不易實現;另一種方法即利用有限元方法進行釘載計算，尤其在結構初步設計階段，該方法被大量使用。

對于利用有限元方法進行復合材料機械連接仿真計算釘載分配，主要有三種方法：①建立二維板殼單元模擬連接件，使用梁單元、桿單元或者fastener單元模擬連接釘。該方法建模速度快、計算周期短，但該方法無法模擬實際連接中的釘孔接觸、配合間隙、摩擦力等的影響，其結果只能作為初步設計的依據;②在①方法的基礎上，利用間隙元模擬釘孔配合間隙、接觸的影響。但由于其在多釘或者大規模釘組分析中，釘載分配復雜，無法確定實際接觸面，所以建模階段需要對每個連接釘的整個圓周上設置間隙元，計算規模太大，不易建模，耗時多。一般僅用于釘孔細節分析中;③利用三維有限元單元建立實體模型進行計算。該方法幾乎可模擬接觸、裝配間隙、預緊力等幾乎所有機械連接特性，但由于實體模型規模很大，對硬件要求更高，且接觸分析對網格要求高，計算不易收斂，耗時很長等特點，在實際工程中往往不易實現。

2GBJM方法

為解決現有技術的不足，Gray等人在2010年提出了一種新的螺栓連接模擬方法，即GBJM方法（ global bolted joint model）。通過采用梁單元耦合解析剛體面模擬螺栓連接特征。通過多年應用，該方法的有效性與正確性已經被試驗證實。本文即利用GBJM方法計算復合材料層壓板機械連接結構釘載，并通過與已有的試驗結果對比證明方法的有效性。

3GBJM方法在復材連接釘載計算中的實現過程

GBJM方法由于在建模中需要采用梁單元耦合解析剛體面模擬螺栓連接特征，建模過程較為復雜。此處以復合材料層壓板三釘單剪結構為例說明其在有限元軟件ABAQUS中的建模過程，見圖1。為了便于與試驗結果進行比較，結構件材料以及幾何特征均取自參考文獻1。

首先需要按照連接板幾何尺寸，保留其釘孔的幾何特征，取其中位面。按照連接釘的有效長度建立梁元，并將線段在連接板釘孔中位面以及連接板間接觸界面處設置節點。建立圓柱形剛性面模擬螺栓外表面，直徑為釘孔直徑，高度為孔深，并同時在剛性面中心建立參考點。接著，按裝配關系將連接板、連接釘、離散剛性面進行裝配，其中剛性面參考點與連接釘線段上與連接板中位面打斷處節點重合并將剛性面參考點與連接釘線段上重合節點的6個自由度進行耦合。將連接釘線段上對應釘孔中心點處節點作為控制節點與釘孔孔徑一周單元節點的釘軸向以及中位面面內轉動自由度進行耦合。在離散剛性面與釘孔孔壁節點之間建立接觸關系。最后在模型中施加邊界條件，載荷，求解得到釘載。

4試驗值對比

通過與試驗值比較可以看出，通過GBJM得到的結果相比試驗值，兩側的釘受載更為嚴重，但誤差較小，在可接受范圍內，見表1。

5應用前景

GBJM方法由于其獨特的計算方式，較小的計算代價以及工作復雜程度介于實體模型與利用傳統連接單元模型之間，對于組合件級別大小的結構應力分析具有獨特的優勢。對于飛機結構而言，在壁板連接區應力分析、機身對接連接區應力分析、組合框連接區應力分析等等典型結構局部連接應力分析中存在廣泛應用前景。

6結束語

本文對現有復合材料機械連接計算釘載分載主要數值方法進行梳理，并重點對GBJM方法進行了介紹。同時通過建立典型連接結構形式有限元模型應用GBJM方法進行釘載計算并與試驗值進行對比，證明新方法計算效率高、與試驗值吻合度高的優點。為后續研究、預測復合材料釘孔失效問題提供了幫助。