CN107991183A - 基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，包括：(1)利用钉载分配的刚度法确定碳纤维复合材料多钉连接中关键钉孔的位置；(2)确定关键孔满足失效的有限断裂力学的失效准则；(3)确定层合板中某一单层的有限裂纹的长度，即特征长度L；(4)确定相应层的断裂韧性(5)确定任意层铺层比例层合板的断裂韧性Ktc；(6)根据所建立的特征长度和断裂韧性耦合失效准则的有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接的拉伸强度。本发明模型的通用性较好，可以预测工程设计中常用铺层比例范围内任意铺层形式和钉孔的碳纤维复合材料连接的拉伸强度，从而对碳纤维复合材料连接进行快速设计。

Description

基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法
技术领域
本发明涉及一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法。
背景技术
轻质、高效、低成本复合材料连接结构是汽车和飞机结构设计和制造的关键技术，而碳纤维复合材料的连接则是该技术的一项瓶颈。因此碳纤维复合材料连接结构的设计、分析、制造是碳纤维复合材料的重中之重。碳纤维增强复合材料的连接主要是机械连接和胶接连接，在强度高、载荷大的情况下一般都使用机械连接，而且机械连接也便于拆卸，所以机械连接在复合材料连接中使用十分广泛。由于螺栓连接具有容易装配、拆卸，并且对环境影响不敏感等优势，是机械连接最常用的方式。
传统的分析模型都是基于点应力和平均应力，是指当材料内部的应力水平达到或超过材料的强度，则认为复合材料螺栓连接发生破坏。特征尺寸法就是根据点应力状态来评价复合材料螺栓连接的失效。
有限断裂力学模型是基于应力和能量准则来预测复合材料螺栓连接的强度失效强度，其具体的失效表达式为：
基于应力的失效准则为：
基于能量的失效准则为：
式中：为碳纤维复合材料无缺口层合板的拉伸强度；KI为碳纤维复合材料层合板I型断裂韧性；a为裂纹长度；L为发生失效时裂纹扩展的长度。
基于有限元断裂力学方法建立一种预测多向复合材料螺栓连接的模型。该模型同时采用应力失效准则和能量失效准则该模型，模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及特定铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立复合材料层合板的断裂韧性与特定层之间的断裂韧性之间的关系，进而预测任意铺层复合材料螺栓连接的强度，该模型与传统的点应力和平均应力相比，具有较高的精度。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于有限断裂力学模型分析复合材料螺栓连接强度，能够预测精度优于传统的点应力和平均应力模型。
本发明的技术解决方案为：一种基于有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接拉伸强度方法，包括下面几个步骤：
步骤一：对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配确定关键孔的位置；
步骤二：确定关键孔满足失效的有限断裂力学模型公式；
步骤三：确定层合板中某一单层的有限裂纹的长度，即特征长度L；
步骤四：确定相应层的的断裂韧性
步骤五：确定任意层铺层比例层合板的断裂韧性Ktc；
步骤六：根据所建立的特征长度和断裂韧性耦合失效准则的有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接的拉伸强度。
在步骤一中确定多钉连接中关键孔位置的方法为：
利用刚度法对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配，得到各个螺栓孔受载情况，其中受载比最大的即为关键孔，这样关键孔的位置就确定了。
在步骤二中确定限断裂力学模型为：
基于应力的失效准则为：
基于能量的失效准则为：
式中：为碳纤维复合材料无缺口层合板的拉伸强度；KI为碳纤维复合材料层合板I型断裂韧性；a为裂纹长度；L为发生失效时裂纹扩展的长度。
在步骤三中确定特征长度的实现方式为：
求出关键孔沿Y轴的应力分布表达式：试中 为无限板宽的应力系数。
接着算出复合材料层合板I型断裂韧性：其中Y(ρ)＝1+0.1(ρ-1)-0.016(ρ-1)2+0.002(ρ-1)3；试中Ex和Ey为复合材料层合板在正交坐标轴下的弹性模量；Gxy为复合材料层合板在正交坐标轴下的剪切模量；υxy和υyx为泊松比；Y为各向异性板的修正系数。
算出关键孔发生裂纹时的形状函数：F(a/W)＝FhFw。试中fn＝1+0.358λ+1.425λ2+1.578λ3+2.156λ4，λ＝R/a，
最后确定L的非线性方程：
在步骤四中确定相应层的的断裂韧性的实现方式为：
确定远场失效应力比试中为复合材料层合板失效时第i个子铺层的应力，为复合材料层合板失效时确定铺层的应力。
建立复合材料子铺层的断裂韧性与确定层断裂韧性之间的关系：
求出整个层合板的断裂韧性(i)≠90°试中t(i)为第i个子铺层的厚度；N为子铺层的数目tL为整个层合板的厚度。
根据所建立的模型可以预测螺栓连接的拉伸强度。
本发明与现有的技术相比的优点在于：本发明基于断裂力学模型，获得了不同铺层顺序层合板的特征长度和断裂韧性，可以预测不同铺层顺序复合材料开孔板的拉伸强度，预测结果精度较高。与传统的方法相比，本发明模型的通用性较高，可以预测工程设计中常用铺层比例范围内任意铺层形式和和孔径的复合材料层合板连接的拉伸强度。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是层合板沿孔截面脆性破坏示意图。
具体实施方式
利用现有的模型可以预测工程中常用铺层比例范围内任意铺层形式和孔径复合材料层合板的拉伸强度，从而对复合材料开孔板进行快速设计。
如图1至图2所示，为了更为有效的预测螺栓连接的强度，本发明提出了基于有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接强度：
1、对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配确定关键孔的位置
利用刚度法对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配，得到各个螺栓孔受载情况，其中受载比最大的即为关键孔，这样关键孔的位置就确定了。
2、确定关键孔满足失效的有限断裂力学模型公式
基于应力的失效准则为：
基于能量的失效准则为：
3、确定层合板中某一单层的有限裂纹的长度，即特征长度L
首先求出关键孔沿Y轴的应力分布表达式，接着算出复合材料层合板I型断裂韧性，再算出关键孔发生裂纹时的形状函数，最后确定L的非线性方程
4、确定相应层的的断裂韧性
确定远场失效应力比，建立复合材料子铺层的断裂韧性与确定层断裂韧性之间的关系。
5、确定任意层铺层比例层合板的断裂韧性Ktc；
根据步骤四求出整个层合板的断裂韧性
6、根据所建立的特征长度和断裂韧性耦合失效准则的有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接的拉伸强度。

Claims (7)

1.一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配确定关键孔的位置；
步骤二：确定关键孔满足失效的有限断裂力学模型公式；
步骤三：确定层合板中某一单层的有限裂纹的长度，即特征长度L；
步骤四：确定相应层的的断裂韧性
步骤五：确定任意层铺层比例层合板的断裂韧性Ktc；
步骤六：根据所建立的特征长度和断裂韧性耦合失效准则的有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接的拉伸强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，其特征在于：所述步骤一中，对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配确定关键孔位置的实现过程为：
(1)利用刚度法对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析，得到各个钉孔所承受的载荷比，其中受载比最大的即为关键孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，其特征在于：所述步骤二中，确定关键孔满足失效的有限断裂力学失效准则为：
(1)基于应力的失效准则为：
(2)基于能量的失效准则为：
式中：为碳纤维复合材料无缺口层合板的拉伸强度；KI为碳纤维复合材料层合板I型断裂韧性；a为裂纹长度；L为发生失效时裂纹扩展的长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，其特征在于：所述步骤三中，确定层合板中某一单层的有限裂纹的长度，即特征长度L的实现过程为：
(1)首先确定沿Y轴的应力分布情况；
(2)在确定螺栓孔板两侧发生裂纹时的形状函数；
(3)最后得到L的非线性方程。
5.根据权利要求1所述的一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，其特征在于：所述步骤四中，确定相应层的的断裂韧性的实现过程为：
(1)先假定对特定的碳纤维复合材料某一铺层断裂韧性是一个常值；
(2)在通过线弹性断裂力学的方法计算得到。
6.根据权利要求1所述的一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，其特征在于：所述步骤五中，确定任意层铺层比例层合板的断裂韧性Ktc的实现过程为：
(1)确定碳纤维复合材料子铺层的断裂韧性和某一铺层的断裂韧性的关系；
(2)通过子铺层的断裂韧性得到整个层合板的断裂韧性。
7.根据权利要求1所述的一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法，其特征在于：所述步骤六中，根据所建立的特征长度和断裂韧性耦合失效准则的有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接的拉伸强度的实现过程为：
(1)将得到的裂纹特征长度L和断裂韧性Ktc带入有限断裂力学模型中；
(2)若满足失效条件则碳纤维复合材料螺栓连接孔最终失效。
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