CN103927422B - 一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法，包括以下步骤：(1)利用钉载分配分析方法对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析，以确定关键孔位置、关键孔载荷系数及关键孔的载荷比，即挤压载荷/旁路载荷；(2)基于渐进损伤模型确定多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线；(3)根据复合材料孔板的强度包线预测关键孔的失效载荷及失效模式；(4)根据关键孔失效载荷及关键孔载荷系数计算多钉连接结构的失效载荷，根据关键孔失效模式确定多钉连接结构的失效模式。本发明适用于工程应用中复合材料螺栓连接结构的失效分析，代替了基于试验测试的强度包线法，节省了大量时间和成本，提高了结构设计效率。

Description

一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度 包线法

技术领域

本发明涉及复合材料连接结构的失效预测，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复杂复合材料螺栓连接结构。

背景技术

先进复合材料具有高比强度、高比刚度、优异的抗腐蚀、抗疲劳性能和性能可剪裁设计等诸多优点，已成为现代飞机结构的主要材料，其在飞机结构上的应用部位已由次承力结构向主承力结构发展。复合材料螺栓连接结构是复合材料结构的一种重要连接形式，同时也是复合材料结构的薄弱环节，因此准确预测复合材料螺栓连接的失效对于复合材料螺栓连接结构的设计和分析具有重要的意义。

随着复合材料连接结构设计和应用经验的积累，工程设计人员建立了一些计算成本小、便于应用的复合材料螺栓连接设计和强度校核工程方法，如强度包线法、特征尺寸法等。传统强度包线法是由Hart-Smith提出的复合材料多钉连接强度预测方法。该方法建立了螺栓连接几何尺寸与结构强度的显式函数关系，计算公式简单，适用于工程应用。然而，强度包线法需要针对不同的材料、铺层进行系统的试验以获得该方法所需的铺层参数，成本昂贵。采用经过验证的渐进损伤模型预测典型试样或结构的强度以代替试验内容，进而将铺层参数的预测值用于工程分析方法，是充分发挥渐进损伤方法和工程分析方法的有效途径。

采用强度包线法预测多钉连接强度时，首先需要通过钉载分配方法确定关键孔及其载荷比R(钉传载荷/旁路载荷)，然后采用强度包线预测关键孔的失效载荷。因此，强度包线法的核心是强度包线。在确定连接结构强度包线时，认为其挤压强度[σ_br]是层压板的基本性能参数，通过单钉连接结构的挤压破坏试验得到，在强度包线中为一条水平的挤压失效曲线，而拉伸失效曲线由下式确定：

K_bcσ_br+K_tcσ_by＝[σ_t]

其中，[σ_t]为无缺口层板的拉伸强度，通过层板拉伸试验测得。σ_by和σ_br分别为旁路应力和挤压应力，分别为绘制强度包线时的横纵坐标，K_tc和K_bc分别为复合材料拉伸应力集中系数和挤压应力集中系数。Hart-Smith等人发现复合材料层压孔板的应力集中系数与同尺寸各向同性材料结构应力集中系数之间存在线性关系，可以通过引入层压板特性参数-复合材料应力集中减缓因子C来表示，在某一尺寸下通过开孔板拉伸及受载孔拉伸试验一旦测得应力集中减缓因子之后，就可以应用于具有相同铺层参数的其它几何尺寸孔板应力集中系数的计算。目前确定强度包线的物理量都需要通过试验测定，基于试验测试的强度包线法在预测多钉连接失效时的流程图如图1所示。该基于试验测试的强度包线法需要花费大量时间和成本，为结构设计与分析带来不便。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法，适用于工程应用中复合材料螺栓连接结构的失效分析，代替了基于试验测试的强度包线法，为复合材料螺栓连接结构设计与失效分析节省了大量时间和成本，提高了结构设计效率，可用于预测复合材料多钉连接结构的失效。

本发明的技术解决方案：一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法，实现步骤如下：

步骤A，对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析确定关键孔；

步骤B，基于渐进损伤模型确定多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线；

步骤C，根据上述步骤中确定的复合材料孔板的强度包线预测多钉连接结构关键孔的失效载荷及失效模式；

步骤D，根据关键孔失效载荷及步骤Α确定的关键孔载荷系数计算复合材料多钉连接结构失效载荷，根据关键孔失效模式确定复合材料多钉连接结构的失效模式。

所述步骤A对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析确定关键孔的实现过程为：

(A1)利用钉载分配分析方法中的刚度法对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析，得到各钉的钉载系数，其中钉载系数最大的孔即为关键孔，从而确定了关键孔位置及关键孔的载荷系数；

(A2)基于上述钉载分配分析结果计算关键孔的载荷比，即挤压载荷与旁路载荷之比。

所述步骤B中基于渐进损伤模型确定多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线的实现过程为：

(B1)基于连接结构铺层参数建立单钉连接结构渐进损伤模型，并进行渐进失效分析，得到层板挤压强度[σ_br]，即确定了水平的挤压失效曲线；

(B2)基于连接结构铺层参数建立层板渐进损伤分析模型，并进行拉伸渐进失效分析，得到层板拉伸强度[σ_t]；

(B3)基于渐进损伤分析确定与连接结构具有相同铺层的开孔板应力减缓因子C_by和受载孔板应力减缓因子C_br，其具体流程如下：

(B31)基于连接结构铺层参数分别建立开孔板和受载孔板渐进损伤分析模型，并进行拉伸渐进失效分析，得到开孔板和受载孔板拉伸破坏载荷P_ult，并按下式计算得到复合材料拉伸应力集中系数K_tc和挤压应力集中系数K_bc：

其中，w、t和d分别为开孔板或受载孔板的宽度、厚度和孔径；

(B32)分别按下式计算具有相同几何尺寸的各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数K_te和受载孔板挤压应力集中系数K_be：

K_te＝2+(1-d/w)³

(B33)分别按下式计算复合材料开孔板和受载孔板的应力集中减缓因子C_by及C_br：

(B34)基于连接结构关键孔的几何参数计算各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数K_te和受载孔板挤压应力集中系数K_be，并按上述步骤中确定的开孔板应力集中减缓因子C_by和受载孔板应力集中减缓因子C_br，计算与连接结构对应的复合材料拉伸应力集中系数K_te及挤压应力集中系数K_be：

K_tc＝1+C_by(K_te-1)

(B4)将上述步骤中得到的复合材料拉伸应力集中系数K_tc、复合材料挤压应力集中系数K_bc及层板拉伸强度[σ_t]带入下式，可确定拉伸失效曲线：

K_bcσ_br+K_tcσ_by＝[σ_t]

其中，σ_by和σ_br分别为旁路应力和挤压应力；

(B5)将上述挤压失效曲线和拉伸失效曲线绘制在分别以旁路应力和挤压应力为横、纵坐标的坐标系中，即可得到传统强度包线。

所述步骤C中根据上述步骤中确定的复合材料孔板的强度包线预测关键孔的失效载荷及失效模式的实现过程为：

(C1)根据步骤A中确定的关键孔载荷比，绘制通过原点的斜线，则该斜线与强度包线的交点即为连接结构的失效点；

(C2)上述失效点的横纵坐标之和为关键孔失效载荷，若失效点位于挤压失效曲线上，则关键孔失效模式为挤压失效，若失效点位于拉伸失效曲线上，则关键孔失效模式为拉伸失效。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法中，由于对于相同铺层参数的连接结构应力减缓因子的值相同，所以在结构设计中，只需进行一次渐进损伤失效分析就可确定一类铺层的应力减缓因子值，为结构设计带来了方便。

(2)本发明基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法，适用于工程应用中的复合材料螺栓连接结构失效分析，代替了基于试验测试的强度包线法，为复合材料螺栓连接结构设计与失效分析节省了大量时间和成本，提高了结构设计效率。

附图说明

图1是基于试验测试的强度包线法的实施流程图；

图2是本发明的实施流程图；

图3是利用强度包线法预测多钉连接失效的示意图。

具体实施方式

结合图2和图3，对本发明方法的具体实现进行阐述如下：

1.对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析确定关键孔；

利用钉载分配分析方法中的刚度法对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析，得到各钉的钉载系数，其中钉载系数最大的孔即为关键孔，从而确定了关键孔位置及关键孔的载荷系数；基于钉载分配分析结果计算关键孔的载荷比，即挤压载荷与旁路载荷之比。

2.基于渐进损伤模型确定多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线；

基于连接结构铺层参数建立单钉连接结构渐进损伤模型，并进行渐进失效分析，得到层板挤压强度[σ_br]，即确定了水平的挤压失效曲线；基于连接结构铺层参数建立层板渐进损伤分析模型，并进行拉伸渐进失效分析，得到层板拉伸强度[σ_t]；基于渐进损伤分析确定与连接结构具有相同铺层的开孔板应力减缓因子C_by和受载孔板应力减缓因子C_br，其具体流程如下：

①基于连接结构铺层参数分别建立开孔板和受载孔板渐进损伤分析模型，并进行拉伸渐进失效分析，得到开孔板和受载孔板拉伸破坏载荷P_ult，并按下式计算得到复合材料拉伸应力集中系数K_tc和挤压应力集中系数K_bc：

其中，w、t和d分别为开孔板或受载孔板的宽度、厚度和孔径，其中厚度根据多钉连接结构单层厚度和铺层数决定，w/d＝2；

②分别按下式计算具有相同几何尺寸的各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数K_te和受载孔板挤压应力集中系数K_be：

K_te＝2+(1-d/w)³

③分别按下式计算复合材料开孔板应力集中减缓因子C_by和受载孔板应力集中减缓因子C_br：

④基于连接结构关键孔的几何参数计算各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数K_te和受载孔板挤压应力集中系数K_be，并按上述步骤中确定的开孔板集中减缓因子C_by和受载孔板应力集中减缓因子C_br，计算与连接结构对应的复合材料拉伸应力集中系数K_te及挤压应力集中系数K_be：

K_tc＝1+C_by(K_te-1)

将上述复合材料拉伸应力集中系数K_tc、复合材料挤压应力集中系数K_bc及层板拉伸强度[σ_t]带入下式，可确定拉伸失效曲线：

K_bcσ_br+K_tcσ_by＝[σ_t]

其中，σ_by和σ_br分别为旁路应力和挤压应力；将上述挤压失效曲线和拉伸失效曲线绘制在分别以旁路应力和挤压应力为横、纵坐标的坐标系中，即可得到传统强度包线，如图3所示，其中AC为挤压失效曲线，CE为拉伸失效曲线。

3.根据上述步骤中确定的多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线预测关键孔的失效载荷及失效模式；

根据关键孔载荷比，绘制通过原点的斜线，则该斜线与强度包线的交点即为连接结构的失效点；失效点的横纵坐标之和为关键孔失效载荷，若失效点位于挤压失效曲线上，则关键孔失效模式为挤压失效，若失效点位于拉伸失效曲线上，则关键孔失效模式为拉伸失效。如图3所示，以关键孔载荷比为斜率，绘制一条通过原点的直线，则该直线与传统强度包线的交点即为连接结构失效点，图中的连接结构失效点位于挤压失效曲线上，则说明关键孔发生挤压失效，同时失效点的横纵坐标值之和为关键孔失效载荷。

4.根据关键孔失效载荷及关键孔载荷系数计算多钉连接结构失效载荷，根据关键孔失效模式确定复合材料多钉连接结构的失效模式。

利用上述步骤中得到的关键孔失效载荷除以关键孔载荷系数计算得到多钉连接结构失效载荷，关键孔失效模式即多钉连接结构的失效模式。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法，其特征在于包括以下步骤：

步骤Α，对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析确定关键孔；

步骤Β，基于渐进损伤模型确定多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线，这样即使结构材料、铺层、几何尺寸信息改变，也只需对渐进损伤模型中相应的信息进行修改即可；

步骤C，根据上述步骤中确定的复合材料孔板的强度包线预测关键孔的失效载荷及失效模式；

步骤D，根据关键孔失效载荷及步骤Α确定的关键孔载荷系数计算多钉连接结构失效载荷，根据关键孔失效模式确定多钉连接结构的失效模式；

所述步骤B中基于渐进损伤模型确定多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线的实现过程为：

(B1)基于连接结构铺层参数建立单钉连接结构渐进损伤模型，并进行渐进失效分析，得到层板挤压强度[σ_br]，即确定了水平的挤压失效曲线；

(B2)基于连接结构铺层参数建立层板渐进损伤分析模型，并进行拉伸渐进失效分析，得到层板拉伸强度[σ_t]；

(B3)基于渐进损伤分析确定与连接结构具有相同铺层的开孔板应力减缓因子C_by和受载孔板应力减缓因子C_br，其具体流程如下：

(B31)基于连接结构铺层参数分别建立开孔板和受载孔板渐进损伤分析模型，并进行拉伸渐进失效分析，得到开孔板和受载孔板拉伸破坏载荷P_ult，并按下式计算得到复合材料拉伸应力集中系数K_tc和挤压应力集中系数K_bc：

$K_{tc}=\frac{\[{\mathrm{\σ}}_t\]}{P_{ult}/(w-d)t}$

$K_{bc}=\frac{\[{\mathrm{\σ}}_t\]}{P_{ult}/dt}$

其中，w、t和d分别为开孔板或受载孔板的宽度、厚度和孔径；

(B32)分别按下式计算具有相同几何尺寸的各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数K_te和受载孔板挤压应力集中系数K_be：

K_te＝2+(1-d/w)³

$K_{be}=\frac{w/d+1}{w/d-1}-\frac{1.5(1.5-0.5w/e)}{w/d+1}$

(B33)分别按下式计算复合材料开孔板应力集中减缓因子C_by和受载孔板应力集中减缓因子C_br：

$C_{by}=\frac{K_{tc}-1}{K_{te}-1}$

$C_{br}=\frac{K_{bc}(w/d-1)-1}{K_{be}(w/d-1)-1};$

(B34)基于连接结构关键孔的几何参数计算各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数K_te和受载孔板挤压应力集中系数K_be，并按上述步骤中确定的开孔板应力集中减缓因子C_by和受载孔板应力集中减缓因子C_br，由于对于相同铺层参数的连接结构应力减缓因子的值相同，所以在结构设计中，若铺层没有改变，只需进行一次渐进损伤失效分析就可确定一类铺层的应力减缓因子值；计算与连接结构对应的复合材料拉伸应力集中系数K_te及挤压应力集中系数K_be：

K_tc＝1+C_by(K_te-1)

$K_{bc}=\frac{1+C_{br}\[K_{be}(w/d-1)-1\]}{w/d-1}$

(B4)将上述步骤中得到的复合材料拉伸应力集中系数K_tc、复合材料挤压应力集中系数K_bc及层板拉伸强度[σ_t]带入下式，可确定拉伸失效曲线：

K_bcσ_br+K_tcσ_by＝[σ_t]

其中，σ_by和σ_br分别为旁路应力和挤压应力；

(B5)将上述挤压失效曲线和拉伸失效曲线绘制在分别以旁路应力σ_by和挤压应力σ_br为横、纵坐标的坐标系中，即可得到传统强度包线，由一条水平挤压失效曲线和一条倾斜拉伸失效曲线组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法，其特征在于：所述步骤A对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析确定关键孔的实现过程为：

(A1)利用钉载分配分析方法中的刚度法对复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析，得到各钉的钉载系数，其中钉载系数最大的孔即为关键孔，从而确定了关键孔位置及关键孔的载荷系数；

(A2)基于上述钉载分配分析结果计算关键孔的载荷比，即挤压载荷与旁路载荷之比。

3.根据权利要求1所述的一种基于渐进损伤模型的预测复合材料螺栓连接失效的强度包线法，其特征在于：所述步骤C中根据上述步骤中确定的复合材料孔板的强度包线预测关键孔的失效载荷及失效模式的实现过程为：

(C1)根据步骤A中确定的关键孔载荷比，绘制通过原点的斜线，则该斜线与强度包线的交点即为连接结构的失效点；

(C2)上述失效点的横纵坐标之和为关键孔失效载荷，若失效点位于挤压失效曲线上，则关键孔失效模式为挤压失效，若失效点位于拉伸失效曲线上，则关键孔失效模式为拉伸失效。