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飞机复合材料连接的强度分析

发布于:2016-07-15 21:17
强度分析

      尽管飞机复合材料结构技术正朝着整体化设计与制造方向发展,但是复合材料结构机械连接依然大量存在。在复合材料翼而结构中,弯曲载荷主要由复合材料蒙皮承受,蒙皮(特别在根部)厚度往往很大,因此,研究复合材料厚层压板连接问题依然具有现实的工程意义。如何利用快速有效的有限元方法预测复合材料的连接强度分析是提高复合材料机械连接设计效率的关键问题之一。
      在模拟复合材料连接强度的过程中接触问题始终是造成收敛困难的主要因素。接触问题属于边界条件的非线性问题,在模拟螺栓与螺栓孔之间的接触时非线性问题更为突出,既有由接触而积变化而产生的非线性,又有由接触压力分布变化以及接触后压力的突增而产生的非线性,也有由摩擦作用引起的非线性等。
      一种易收敛且有效地模拟复合材料连接强度的方法除了要解决由接触造成的收敛困难问题以外,还要选取合理的失效准则以及充分考虑材料破坏机制的刚度退化模式。在失效准则的选取上,Hashin失效准则C7被广泛地应用于复合材料连接强度分析中,经多人修改和发展,能较准确地分析出复合材料的失效状态。复合材料接头层压板在达到初始损伤状态后,其材料性能将发生退化。
      目前,应用最广的是由Chang Camanh以及Kermanidisg等人提出的材料刚度按折减系数进行折减的方法,并认为挤压损伤扩展超过垫圈外径后,或拉伸及剪切损伤扩展到层压板边缘时,结构发生最终破坏。该方法尽管对拉伸及剪切破坏能够较为准确地模拟出接头层压板的破坏载荷,但对于挤压破坏,挤压造成的纤维褶皱往往发生在螺栓垫圈以外,因此认为损伤扩展至垫圈外径结构就发生破坏是不符合真实破坏机制的。文献中对垫圈内外损伤虽然进行了区别对待,但是并没有对垫圈以内的材料刚度进行退化处理,这也不符合真实的破坏机制。因此,有必要对这种刚度退化方法进行改进。
      为了解决由接触带来的收敛困难,以及挤压破坏的刚度退化模式不符合真实破坏机制的问题,本研究建立了简单且有效的自定义虚拟粘接元接触技术,并在文献的刚度退化方法基础上定义了新的刚度退化模式,对垫圈外的材料刚度退化采用了以指数函数形式进行连续折减的退化方法,以此来模拟垫圈外损伤的加速扩展。采用该方法来模拟复合材料接头强度,模拟得到的结果与试验结果能够较好吻合。
      对于复合材料机械连接问题,解决螺栓与复合材料层压板之间的接触问题是得到准确的应力-应变分析结果的关键。为了提高有限元计算收敛速度,在保证两接触对之间基本传力的前提下简化接触关系。首先假设螺栓相对螺栓孔没有转动,所有接触均不考虑摩擦。在此基础上,在两接触对之间建立一层被赋予特殊本构关系的粘接单元,该单元只有压缩刚度没有拉伸刚度,即只能传递压缩载荷而不能传递拉伸载荷。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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