螺栓連接復(fù)合材料層合板力學(xué)建模及失效分析

楊列坤

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

針對當(dāng)下復(fù)合材料構(gòu)建的發(fā)展方向及發(fā)展趨勢展開深入分析，可知當(dāng)前材料設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域更加注重在保證材料各方面性能穩(wěn)定的前提下，追求結(jié)構(gòu)整體性的提高。但是，由于受到多方面因素的影響，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、設(shè)備維護(hù)等，復(fù)合結(jié)構(gòu)材料通常仍會(huì)選擇機(jī)械連接的方式將各個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。可是相對于普通材料（如金屬材料）而言，復(fù)合材料的脆性以及各向異性特征尤為突出，這就導(dǎo)致了其孔邊應(yīng)力分布相對而言較為復(fù)雜。本文重點(diǎn)分析的螺栓連接強(qiáng)度和破壞形勢，在研究的過程中可知，其與螺栓孔的配合精度、緊固件預(yù)緊力等因素均有著較為密切的聯(lián)系，因此實(shí)際的分析工作應(yīng)綜合考慮以上多種因素。

1 建立有限元模型

1.1 二維模型選擇

在利用ABAQUS 軟件進(jìn)行實(shí)際建模之前，首先應(yīng)選擇合適的組合板螺栓連接模型。為了使本次分析工作更具有代表性，本次所選擇的模型是一種典型的連接模型，相應(yīng)模型點(diǎn)圖如圖1所示。其中，字母D、E、W、L 分別表示組合版，螺栓連接模型的孔徑、端距、板塊以及板長[1]。

在針對該模型進(jìn)行實(shí)際的破壞模式分析時(shí)，從理論力學(xué)和材料力學(xué)的角度入手，可知常見的破壞模型分一般有3 種，即拉伸破壞、剪切破壞、擠壓破壞3 種不同的破壞形式[2]。在研究的過程中相關(guān)研究因素也各有不同，以常見的擠壓破壞為例，導(dǎo)致該問題產(chǎn)生的主要因素為E、D之比以及W、D 之比，當(dāng)前者的取值范圍為3～5以及后者的比例為4～8，就會(huì)導(dǎo)致擠壓破壞現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖1 組合板螺栓連接模型

1.2 有限元模型的建立

借助ABAQUS 軟件強(qiáng)大的有限元建模功能，在針對不同材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模時(shí)，可以根據(jù)具體的工作和研究需要，選擇工具針對性的有限元單元類型。由于本次分析工作所研究的復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)是一種較為典型的簡單模型，因此無需考慮厚度、相對板長、板塊等這些精度要求較高的因素，相應(yīng)參數(shù)對本次分析工作的影響也相對有限，所以考慮相對簡單的二維模型進(jìn)行實(shí)際的力學(xué)建模和分析工作。在確定實(shí)際的建模單元之后，結(jié)合具體的分析工作需要，即需要進(jìn)行較為復(fù)雜的接觸行為模擬，而以往的分析工作中常見的殼元無法滿足相應(yīng)模擬工作需要，因此本次分析工作將采用平面應(yīng)力單元模擬層合板單元，以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步研究層與層之間的實(shí)效區(qū)域擴(kuò)展。按照以上思路所建立的有限元模型如圖2 所示。

1.3 失效指標(biāo)的確定

本次分析工作在選擇復(fù)合材料時(shí)，為了使得實(shí)際的分析工作更具有代表性，同時(shí)也為了滿足實(shí)際的工作需要，所選擇的復(fù)合材料基態(tài)為環(huán)氧樹脂，因此在進(jìn)行實(shí)際失效分析工作時(shí)，所選用的分析方法為較為常用的剛度退化法，以保證實(shí)際的模擬過程更加的貼近現(xiàn)實(shí)，真實(shí)反應(yīng)復(fù)合材料的逐步失效過程。以高度退化法為基礎(chǔ)的失效分析，所選擇的實(shí)際判決一般包括以下幾種，即機(jī)體拉伸失效、機(jī)體壓縮失效、剪切失效、纖維拉伸失效、纖維壓縮失效[3]。在實(shí)際實(shí)效分析工作進(jìn)展的過程中，方向數(shù)據(jù)滿足上述任何一種失效條件是，即可認(rèn)定失效情況發(fā)生。工作人員可以結(jié)合實(shí)際繼續(xù)進(jìn)行下一步分析工作。

圖2 有限元模型

2 失效分析

2.1 剛性退化方法分析

在時(shí)效分析過程中應(yīng)用高效對話分析方法，可以結(jié)合實(shí)際工作的需要改變現(xiàn)個(gè)參數(shù)，因此該方法在應(yīng)用過程中具有較強(qiáng)的靈活性，本次飛行工作就以將會(huì)用到兩種方法為例，對該方法的應(yīng)用思路進(jìn)行簡單分析。首先，從剛性的角度進(jìn)行分析。第1種方法認(rèn)為，應(yīng)該忽略拉伸破壞和壓縮破壞之間的具體區(qū)別，忽略細(xì)微差別，宏觀的認(rèn)為材料高度退化量是相同的，以減小實(shí)際的計(jì)算難度，提高分析工作的效率。第2 種方法是應(yīng)用思路與第1 種思路截然相反，其認(rèn)為拉伸破壞和壓縮破壞是兩種完全不同的破壞形式，因此其所對應(yīng)的材料高度退化量，也不可籠統(tǒng)地視為一樣。因?yàn)樵趯?shí)際情況下，壓縮破壞相對于拉伸破壞而言，其所保留的高度相對更高。所以，在第1 種剛性退化方法的思路下，將會(huì)忽略損傷單元對結(jié)構(gòu)承載的貢獻(xiàn)，進(jìn)而忽視了結(jié)構(gòu)表面裂紋，所導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中問題。但是針對本次失效分析工作而言，相應(yīng)的局部應(yīng)力集中雖然會(huì)在一定程度上影響有效高度，但實(shí)際影響極小，可以忽略不計(jì)。為了保證實(shí)際分析工作的精度，可以結(jié)合實(shí)際工作需要交替使用以上兩種剛性退化思路。

2.2 失效分析

表1 是本次分析工作所設(shè)計(jì)選擇的層合板尺寸及相關(guān)輔助參數(shù)，表2 則為兩種剛性退化方法思路下所得的基本數(shù)據(jù)。

表1 層合板尺寸及相關(guān)輔助參數(shù)

表2 兩種剛性退化方法思路下計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比數(shù)據(jù)

圖3 為不同的D、t 比值數(shù)據(jù)條件下3 組層合板鋼達(dá)到破壞載荷極限時(shí)，0 輔層的纖維壓縮失效區(qū)域。

通過對3 組對比模型的分析可知，D/t 數(shù)值的大小將會(huì)直接影響連接效率。就以上3 組數(shù)據(jù)而言，當(dāng)D/t=1.7 時(shí)，實(shí)際的連接效率最好。

圖3 不同條件下纖維壓縮失效區(qū)域

3 結(jié)束語

綜上所述，首先分析了包括螺栓連接復(fù)合材料層在內(nèi)的材料分析工作，對于促進(jìn)我國先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的重要意義。然后針對復(fù)合材料的建模工作，重點(diǎn)探究如何應(yīng)用有線性分析軟件進(jìn)行實(shí)體建模，包括單元屬性、網(wǎng)格類型的選擇等。在以上分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合剛性退化方法的研究思路，重點(diǎn)進(jìn)行了螺栓連接復(fù)合材料層合板的失效分析工作。希望通過本次探究工作，為促進(jìn)相關(guān)工作的發(fā)展提供一定幫助。