螺栓连接复合材料层合板力学建模及失效分析

杨列坤

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

0 引言

针对当下复合材料构建的发展方向及发展趋势展开深入分析，可知当前材料设计制造领域更加注重在保证材料各方面性能稳定的前提下，追求结构整体性的提高。但是，由于受到多方面因素的影响，如结构设计、加工工艺、设备维护等，复合结构材料通常仍会选择机械连接的方式将各个设备结构进行连接。可是相对于普通材料（如金属材料）而言，复合材料的脆性以及各向异性特征尤为突出，这就导致了其孔边应力分布相对而言较为复杂。本文重点分析的螺栓连接强度和破坏形势，在研究的过程中可知，其与螺栓孔的配合精度、紧固件预紧力等因素均有着较为密切的联系，因此实际的分析工作应综合考虑以上多种因素。

1 建立有限元模型

1.1 二维模型选择

在利用ABAQUS 软件进行实际建模之前，首先应选择合适的组合板螺栓连接模型。为了使本次分析工作更具有代表性，本次所选择的模型是一种典型的连接模型，相应模型点图如图1所示。其中，字母D、E、W、L 分别表示组合版，螺栓连接模型的孔径、端距、板块以及板长[1]。

在针对该模型进行实际的破坏模式分析时，从理论力学和材料力学的角度入手，可知常见的破坏模型分一般有3 种，即拉伸破坏、剪切破坏、挤压破坏3 种不同的破坏形式[2]。在研究的过程中相关研究因素也各有不同，以常见的挤压破坏为例，导致该问题产生的主要因素为E、D之比以及W、D 之比，当前者的取值范围为3～5以及后者的比例为4～8，就会导致挤压破坏现象的产生。

图1 组合板螺栓连接模型

1.2 有限元模型的建立

借助ABAQUS 软件强大的有限元建模功能，在针对不同材料结构进行有限元建模时，可以根据具体的工作和研究需要，选择工具针对性的有限元单元类型。由于本次分析工作所研究的复合材料层合板结构是一种较为典型的简单模型，因此无需考虑厚度、相对板长、板块等这些精度要求较高的因素，相应参数对本次分析工作的影响也相对有限，所以考虑相对简单的二维模型进行实际的力学建模和分析工作。在确定实际的建模单元之后，结合具体的分析工作需要，即需要进行较为复杂的接触行为模拟，而以往的分析工作中常见的壳元无法满足相应模拟工作需要，因此本次分析工作将采用平面应力单元模拟层合板单元，以此为基础进一步研究层与层之间的实效区域扩展。按照以上思路所建立的有限元模型如图2 所示。

1.3 失效指标的确定

本次分析工作在选择复合材料时，为了使得实际的分析工作更具有代表性，同时也为了满足实际的工作需要，所选择的复合材料基态为环氧树脂，因此在进行实际失效分析工作时，所选用的分析方法为较为常用的刚度退化法，以保证实际的模拟过程更加的贴近现实，真实反应复合材料的逐步失效过程。以高度退化法为基础的失效分析，所选择的实际判决一般包括以下几种，即机体拉伸失效、机体压缩失效、剪切失效、纤维拉伸失效、纤维压缩失效[3]。在实际实效分析工作进展的过程中，方向数据满足上述任何一种失效条件是，即可认定失效情况发生。工作人员可以结合实际继续进行下一步分析工作。

图2 有限元模型

2 失效分析

2.1 刚性退化方法分析

在时效分析过程中应用高效对话分析方法，可以结合实际工作的需要改变现个参数，因此该方法在应用过程中具有较强的灵活性，本次飞行工作就以将会用到两种方法为例，对该方法的应用思路进行简单分析。首先，从刚性的角度进行分析。第1种方法认为，应该忽略拉伸破坏和压缩破坏之间的具体区别，忽略细微差别，宏观的认为材料高度退化量是相同的，以减小实际的计算难度，提高分析工作的效率。第2 种方法是应用思路与第1 种思路截然相反，其认为拉伸破坏和压缩破坏是两种完全不同的破坏形式，因此其所对应的材料高度退化量，也不可笼统地视为一样。因为在实际情况下，压缩破坏相对于拉伸破坏而言，其所保留的高度相对更高。所以，在第1 种刚性退化方法的思路下，将会忽略损伤单元对结构承载的贡献，进而忽视了结构表面裂纹，所导致的局部应力集中问题。但是针对本次失效分析工作而言，相应的局部应力集中虽然会在一定程度上影响有效高度，但实际影响极小，可以忽略不计。为了保证实际分析工作的精度，可以结合实际工作需要交替使用以上两种刚性退化思路。

2.2 失效分析

表1 是本次分析工作所设计选择的层合板尺寸及相关辅助参数，表2 则为两种刚性退化方法思路下所得的基本数据。

表1 层合板尺寸及相关辅助参数

表2 两种刚性退化方法思路下计算值与实验值对比数据

图3 为不同的D、t 比值数据条件下3 组层合板钢达到破坏载荷极限时，0 辅层的纤维压缩失效区域。

通过对3 组对比模型的分析可知，D/t 数值的大小将会直接影响连接效率。就以上3 组数据而言，当D/t=1.7 时，实际的连接效率最好。

图3 不同条件下纤维压缩失效区域

3 结束语

综上所述，首先分析了包括螺栓连接复合材料层在内的材料分析工作，对于促进我国先进制造业发展的重要意义。然后针对复合材料的建模工作，重点探究如何应用有线性分析软件进行实体建模，包括单元属性、网格类型的选择等。在以上分析的基础上，结合刚性退化方法的研究思路，重点进行了螺栓连接复合材料层合板的失效分析工作。希望通过本次探究工作，为促进相关工作的发展提供一定帮助。