CN109388869A - 一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法 - Google Patents

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陈栎同
邹康庄
杜娟
罗树东
刘明明
谭鸣
谭一鸣
李敏
吴燕斌
郭建
张维
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Abstract

本发明提供了一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，可用于航天航空、机械设计制造领域。复合材料由于各向异性、延展性差、层间剪切强度低等特点，使得其失效形式众多，而钉孔挤压失效是其中最主要的失效形式之一。目前确定复合材料孔挤压强度的方法。或者成本高，不易实现，或者对硬件要求更高，耗时很长。为解决现有技术的不足，本发明提出一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法。通过对典型铺层(0°,90°,±45°)组合下孔挤压强度的理论计算以及引入实际接触面积修正，快速的得到了相对准确的孔挤压强度许用值，提高了计算效率。

Description

一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法
技术领域
本发明提供了一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，可用于航天航空、机械设计制造领域。
背景技术
复合材料由于其高比强度，大比模量，良好的耐疲劳性能与破损安全性能以及材料性能的可设计性等原因为现代工业所大量使用。尤其在航空航天飞行器领域，比如飞机、火箭、卫星，使用高性能的复合材料可使结构减重30％～40％，获得明显效益。进而使得复合材料的用量比例已成为衡量飞行器先进性的重要指标之一。由于易拆卸、维护，工艺性好，传载能力强，可靠性高等特点，复合材料结构设计中主要采用机械连接做为主要连接形式。但由于复合材料各向异性、延展性差、层间剪切强度低等特点，使得其失效形式众多，而钉孔挤压失效是其中最主要的失效形式之一。
目前确定复合材料孔挤压强度主要方法有三种。一种为试验测量，即根据标准ASTMD5961中相关要求进行试验测量。在使用该方法时，由于复合材料受工艺性影响其性能参数具有分散性，往往需要设置多组试验件才能得到相对准确的测量结果，其耗时长，需要大量准备工作以及设备，成本高，不易实现；另一种方法，即借助有限元分析软件，建立有限元模型，选取相应的材料失效准则，一般为Hashin准则，再假设出材料性能退化形式，进行分析计算，得到孔挤压强度。该方法几乎可模拟接触、装配间隙、预紧力等几乎所有机械连接特性，结果较为准确。但由于实体模型规模很大，对硬件要求更高，且接触分析对网格要求高，计算不易收敛，耗时很长等特点，在实际工程中往往不易实现；第三种方法为目前工程中常用方法，即在直接取铺层材料性能许用值或者参照相关资料中给出了孔径与板厚比为1时各种材料孔挤压强度许用参考值等。这些方法大多出于经验性方法得到，一般仅用于初步设计中。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法。通过对典型铺层(0°,90°,±45°)组合下孔挤压强度的理论计算以及引入实际接触面积修正，快速的得到了相对准确的孔挤压强度许用值，提高了计算效率。一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，该方法首先根据标准ASTMD5961中复合材料孔挤压强度标准试验方法中关于试验件的结构形式、尺寸、支持状态要求，建立双钉单剪有限元模型，施加实际钉载进行计算得到孔壁实际接触面积A1后，对理论计算许用挤压应力进行修正，得到估算的孔挤压强度[σj]fin：
[σj]fin＝[σj]int＊α，
其中[σj]int为理论孔挤压强度，α为接触面修正系数：
α＝A1/A0，
A0为孔壁总面积的一半：A0＝πdh/2，d为孔直径，h为复合材料板厚度。
所述理论孔挤压强度[σj]int的计算方式之一为：
[σj]int＝η0σj0+η90σj90+η±45σj±45
σj0为0°铺层孔挤压许用应力：
σj90为90°铺层孔挤压许用应力：
σj±45为±45°铺层孔挤压许用应力：
Xc为纵向压缩强度，Yc为横向压缩强度，S为纵横向剪切强度，
η0、η90和η±45分别代表各角度铺层的厚度占总厚度的比例。
在所述有限元模型中，复合材料板和连接钉用实体单元模拟，钉孔周围以2d为直径的环形区域为单元细化区，以6面体单元划分网格。
复合材料板厚度、材料、铺层形式与复合材料结构件一致。
在有限元计算之前，还需定义连接钉与孔壁的接触关系，若是螺栓连接还需定义螺母、螺帽与复合材料板的接触，若有螺栓预紧力要求还需定义预紧力。
施加大小为钉载2倍的载荷进行估算。
有益效果：本发明提出一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法。通过Tsai-Wu准则在孔壁实际接触面积为总面积一半的假设下对典型铺层0°,90°,±45°组合下计算理论孔挤压强度，并建立双钉单剪有限元模型，施加实际钉载进行计算得到孔壁实际接触面积后，对理论孔挤压强度进行修正，快速的得到相对准确的孔挤压强度许用值，提高了计算效率。本发明可操作性、应用性强，在合理假设下得到了估算的孔挤压强度，且在实现同等目标前提下，建模更为简便，计算时间较短，提高了计算效率。为工程计算复合材料孔挤压强度提供了更为快速、精确的方法。
附图说明
图1是复合材料板的计算区域的几何尺寸示意图；
图2是修正模型装配关系示意图；
图3是修正模型有限元网格示意图；
图4是孔壁周围接触区域示意图。
具体实施方式
将此方法应用于复合材料层压板多钉单剪或单钉单剪的孔挤压强度估算中，根据标准ASTMD5961中复合材料孔挤压强度标准试验方法中关于试验件的结构形式、尺寸、支持状态要求，建立双钉单剪有限元模型进行计算。基于有限元软件ABAQUS，具体包括以下步骤：
步骤1：取复合材料件铺层材料性，此处使用铺层为3218/EW220A，铺层形式为(0°/45°/-45°/90°)5s，纵向压缩强度Xc＝420MPa，横向压缩强度Yc＝400MPa，纵横向剪切强度S＝65MPa，连接孔直径为8mm，复合材料板厚度h为8.8mm。连接件为直径d为8mm的螺栓。
步骤2：按照下列假设条件下简化的Tsai-Wu失效准则，计算各铺层角度下铺层孔挤压许用应力。
0°铺层孔挤压许用应力：
90°铺层孔挤压许用应力：
±45°铺层孔挤压许用应力：
得到σj0＝300.5MPa，σj90＝286.5MPa，σj±45＝490.3MPa
步骤3：由各角度铺层厚度在总厚度上所占比例为权重进行计算，得到理论孔挤压强度。由其铺层形式为(0°/45°/-45°/90°)5s可知0°,90°,±45°铺层所占比例分别为25％，25％，50％。
[σj]int＝η0σj0+η90σj90+η±45σj±45
＝0.25×300.5+0.25×286.5+0.5×490.3
＝391.9MPa
步骤4：在ABAQUS的Part模块中建立双钉单剪连接有限元模型，将复合材料板和螺栓使用三维模型模拟。复合材料板尺寸见图1所示，其中钉孔直径为d＝8mm，钉孔周围以2d＝16mm为直径同心环区域为单元细化区，参加计算的复合材料板的区域范围为6d×12d，复合材料板厚度8.8mm。装配关系见图2。
步骤5：在Property模块中建立赋予连接件各自的材料属性。复合材料铺层形式为(0°/45°/-45°/90°)5s，螺栓材料为30CrMnSiA。
步骤6：在复合材料板孔周围划分较细网格，赋予6面体减缩单元(C3D8R)，在其他区域赋予相同单元属性，并划分自由网格，网格密度可适当放大；为螺栓赋予赋予6面体减缩单元(C3D8R)，为保证收敛速度，网格密度比孔壁单元密度小，参见图3。
步骤7：按装配关系将复合材料板、连接钉进行装配。在Interaction模块中定义钉与孔壁接触关系，以及连接件与复合材料板表面的接触。定义接触摩擦系数为0.1，此处不考虑螺栓预紧力。
步骤8：在建好的模型中，在复合材料板一端施加线位移约束边界条件，在另一块板相反一面施加载荷，载荷大小为钉实际载荷的2倍。
步骤9：将模型进行计算得到结果后，根据接触关系，取得钉与孔壁实际接触面积A1＝101.75mm2，见图4,孔壁上深颜色代表挤压区，白色代表未挤压的面，可以看出，整体接触面积不足孔壁总面积的一半，而且由于钉的变形，在原本挤压区靠近孔边缘位置出现了一片未挤压区域。在钉孔较小而复合材料板较厚的情况下，该影响效果更为明显。取深色区域总面积与二分之一孔壁面积的商作为接触面修正系数α。由于理论上A0为孔壁总面积的一半，因此A0＝πdh/2＝110.53mm2,计算接触面修正系数α：
α＝A1/A0＝101.75/110.53＝0.92
步骤10：对得到的理论孔挤压强度进行修正，得到估算的孔挤压强度[σj]fin＝[σj]int×α＝391.9×0.92＝360.5MPa。

Claims (6)

1.一种复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，其特征在于：该方法首先建立双钉单剪有限元模型，施加实际钉载进行计算得到孔壁实际接触面积A1后，对理论孔挤压强度进行修正，得到估算的孔挤压强度[σj]fin：
[σj]fin＝[σj]int＊α，
其中[σj]int为理论孔挤压强度，α为接触面修正系数：
α＝A1/A0，
A0为孔壁总面积的一半：A0＝πdh/2，d为孔直径，h为复合材料板厚度。
2.根据权利要求1所述的复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，其特征在于：所述理论孔挤压强度[σj]int的计算方式之一为：
[σj]int＝η0σj0+η90σj90+η±45σj±45
σj0为0°铺层孔挤压许用应力：
σj90为90°铺层孔挤压许用应力：
σj±45为±45°铺层孔挤压许用应力：
Xc为纵向压缩强度，Yc为横向压缩强度，S为纵横向剪切强度，
η0、η90和η±45分别代表各角度铺层的厚度占总厚度的比例。
3.根据权利要求1所述的复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，其特征在于：在所述有限元模型中，复合材料板和连接钉用实体单元模拟，钉孔周围以2d为直径的环形区域为单元细化区，以6面体单元划分网格。
4.根据权利要求3所述的复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，其特征在于：复合材料板厚度、材料、铺层形式与复合材料结构件一致。
5.根据权利要求4所述的复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，其特征在于：在有限元计算之前，还需定义连接钉与孔壁的接触关系，若是螺栓连接还需定义螺母、螺帽与复合材料板的接触，若有螺栓预紧力要求还需定义预紧力。
6.根据权利要求1所述的复合材料机械连接孔挤压强度估算方法，其特征在于：施加大小为钉载2倍的载荷进行估算。
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