1、第 卷第期 年 月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o O c t 复合材料夹芯板螺栓连接渐进失效分析张一鸣)严仁军,)(武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室)武汉 )(武汉理工大学船海与能源动力工程学院)武汉 )摘要:文中采用渐进失效方法对复合材料夹芯板钢板螺栓连接静态拉伸试验进行模拟,对比了接头的载荷位移曲线及
2、接头破坏模式,结果与试验吻合良好研究了单剪搭接接头的孔周应力分布规律,分析了搭接形式、宽径比、端径比及孔径对接头承载力的影响结果表明:纤维方向是孔周径向应力和周向应力的主要承载方向双剪搭接接头由于孔壁受损在厚度方向上分布更加均匀因而比单剪搭接接头承载力提高了 宽径比、端径比的变化会影响接头的破坏模式进而影响接头的极限承载力孔径的大小影响损伤沿着螺栓孔环向扩展的均匀程度,当孔径在 mm时,孔径越大接头的极限承载力越高关键词:复合材料夹芯板;螺栓连接;失效模式;极限承载力中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:张一鸣(),男,硕士生,主要研究领域为复合材料结构的安全
3、性与可靠性分析通信作者:严仁军(),男,博士,教授,主要研究领域为船舶与海洋工程结构数值分析与仿真,结构强度理论与试验 引言纤维增强复合材料夹芯结构具有结构效率高、重量轻等特点,近年来在民用基础设施和建筑工程中得到了广泛应用,随之带来了复合材料夹芯板与金属材料连接的安全性与可靠性问题复合材料的连接形式按照连接方式和中间媒介一般可分 为 三 种:机 械 连 接、胶 接 和 胶 螺 混 合 连接其中机械连接更容易控制连接质量,更加安全可靠,能够传递大的荷载,易于拆卸但需要在接头处开孔,开孔处则会产生应力集中,使得接头的整体强度大幅下降同时由于复合材料夹芯板相比层合板的结构形式更加复杂,因而接头的失
4、效模式、极限承载力也更为复杂采用基于有限元软件的渐进失效分析方法可以将接头失效过程中的应力场变化及损伤扩展可视化,相比试验方法更易于操作且成本更低梅俊杰提出了包含纤维拉压失效、基体拉压失效、纤维基体剪切失效、分层失效四种失效模式的复合材料三维刚度退化模型,并结合三维H a s h i n失效准则建立层合板螺栓连接有限元模型对接头的应力和渐进失效过程进行模拟,得到的结果与试验测 得 的 结 果 吻 合 良 好 M c c a r t h y等基 于H a s h i n三维失效准则建立了复合材料层合板三钉双搭接结构的三维有限元模型,并将接头的载荷位移曲线和层合板表面孔周的应变与试验结果进行对比,
5、验证了方法的合理性,在此基础上研究了孔隙大小对接头应力与损伤分布的影响陈夏良编制了基于S h o k r i e h H a s h i n准则的U S D F L D和VU S D F L D复合材料三维渐进失效分析子程序,在验证有限元方法后,研究了复合材料夹芯板沉头螺栓连接结构的孔周接触应力和渐进失效过程,分析了铺层顺序、端径比、刚度退化系数、配合精度等对接头失效荷载的影响由于夹芯板结构形式复杂,且面板与芯材间存在脱黏现象,对接头的失效模式及极限承载力具有较大影响文中采用渐进失效方法对复合材料夹芯板钢板螺栓连接静态拉伸试验进行模拟,对比了接头的载荷位移曲线及接头破坏模式研究了单剪搭接接头的
6、孔周应力分布规律,并分析了搭接形式、宽径比、端径比及孔径对接头承载力的影响 复合材料夹芯板螺栓连接三维渐进失效模拟方法 复合材料的失效判据及刚度退化模型复合材料的失效模式包含纤维和基体的拉压失效、纤维基体的剪切失效、复合材料的层间失效等文中采用S h o k r i e h H a s h i n准则作为复合材料的失效判据,并结合了文献 提出的刚度退化模型刚度退化方式为:当纤维发生拉伸或压缩破坏时,将E、G、G 退 化 为 初 始 值 的,当基体发生拉伸或压缩失效时,将E、G、G 退化为初始值的 倍,当发生纤维基体的剪切失效时,将、G 退化为初始值的,当发生复合材料的分层失效时,将面外弹性系数
7、E、G、G 退化为初始值的 夹芯板单钉搭接静态拉伸试验模拟对文献 中的G F R P夹芯板螺栓接头静态拉伸试验进行模拟,试验件几何模型见图图模型配置与几何尺寸接头由三部分组成:钢制螺栓、搭接钢板、复合材料夹芯板,其中夹芯板由三块环氧树脂玻璃纤维增强复合材料层合板及一块P V C泡沫芯材通过环氧树脂粘接而成,复合材料上面板与下面板厚度为mm,铺层顺序为/,夹芯板连接区域的中间层合板厚度为mm,其铺层设置为/,试验使用的螺栓型号是M ,制成材料为 钢试验采用位移加载方式,接头左端固定,右端施加轴向拉伸载荷,至接头发生破坏,加载速率为mm/m i n 接头的材料参数见表表G F R P层合板的弹性参
8、数弹性模量/MP aE E E 泊松比 剪切模量/MP aG G G 表G F R P层合板的强度参数单位:MP a拉伸强度XTY T压缩强度X CY C剪切强度S S S 表P V C泡沫的弹性参数弹性模量E/MP a泊松比剪切模量G/MP a 表P V C泡沫的强度参数单位:MP a拉伸强度压缩强度剪切强度 在A B AQU S中采用三维实体建模的方法构建复合材料夹芯板螺栓连接模型,见图采用E x p l i c i t准静态法模拟接头的加载过程,对于接头构件间的接触行为,采用通用接触模拟,其中法向行为用硬接触定义,切向行为用罚函数法定义且摩擦系数根据文献 取值为 图复合材料夹芯板螺栓连接
9、有限元模型通过有限元计算得到接头的载荷位移曲线,并与试验结果进行对比,见图最终本文模拟得到的接头的极限承载力为 k N,试验得到接头极 限 承 载 力 为 k N,其 相 对 误 差 为 ,在以内,因此本文对复合材料夹芯板螺栓连接承载力的模拟精度较高图有限元计算结果与试验结果对比将A B AQU S数值仿真得到的接头失效模式与试验观察到的接头破坏现象进行对比,见图由有限元计算的结果可以得出:接头在连接区域出现严重的复合材料面板之间的脱黏现象;夹芯板的下面板出现基体沿板宽呈 方向被拉断的现象;接头孔周区域出现大面积的复合材料分层现象孔周应力分析将接头的加载方式由在耦合点处施加位移载荷改为施加大小
10、为k N的集中力,并以螺栓孔轴线与剪切面的交点为坐标原点建立柱坐标系,第期张一鸣,等:复合材料夹芯板螺栓连接渐进失效分析图胶层失效有限元与试验结果对比图接头下面板基体失效有限元与试验结果对比图接头孔周分层失效有限元与试验结果对比提取了外载荷为k N时接头各角度铺层螺栓孔受挤压面接触角度为 范围内节点的径向应力和周向应力,见图图各角度铺层孔周径向应力和周向应力由图可知:)螺栓孔周的径向应力为负值,这是螺栓孔受到螺杆挤压使得各个角度铺层产生面内压缩导致的,对于 铺层,孔周径向应力呈对称分布,当时,达到峰值,并且随着接触角的变大,径向应力值不断降低,最终在 时,降至几乎为零对于 铺层,径向应力的分布
11、是不对称的,与相似的是,其在近乎 的位置(即纤铺层纤维方向)达到峰值,并随着向 减小、向 的过程逐渐降低至零相比较而言,铺层的孔周径向应力明显小于其他铺层,和其他铺层相同的是,在接触角接近 时,径向应力几乎为,这是因为在螺栓孔未变形前,螺栓与孔周的接触角涵盖从 到 共 的接触范围,但是随着螺栓孔受挤压发生变形呈近似椭圆状,螺栓与孔周接触的范围也在不断缩小,此时 的位置已经不是接触面,因而径向应力大幅降低)对于周向应力,其值为正,是拉伸应力,对于 铺层,最大周向应力出现在曲线的两端即 的位置,当接触角度靠近 时,周向应力也会随之降低对于 铺层,周向应力分别在近乎 和 的位置达到最大,沿着挤压面呈
12、非对称分布,对于 铺层,随着不断地偏离 角,其周向应力先上升后下降至峰值对比挤压面的孔周径向应力,可见周向应力的分布规律恰好与其相反,又因为一点的周向应力与径向应力正交,故可知周向应力最大点处方向也是与铺层纤维方向平行的,这就说明了铺层的纤维方向是孔周径向应力和周向应力的主要承载方向极限承载力影响因素分析 搭接形式对夹芯板极限承载力的影响保持螺栓的螺杆与夹芯板和钢板接触面积不变,将单剪搭接形式变为双剪搭接形式,并且采用相同的材料参数、失效准则、刚度退化系数等,建立了对应的有限元模型,见图其中钢板的厚度为mm图复合材料夹芯板单钉双剪搭接有限元模型经有限元计算,得到复合材料夹芯板单钉双剪搭接接头的
13、极限承载力为 k N,相比较单剪搭接接头提升了,因此双剪搭接接头拥有更强的承载能力,这与文献 中得到的结论武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷一致图对比了两种搭接形式的接头在破坏时刻螺栓孔壁上基体失效的分布情况,夹芯板单剪搭接接头孔壁上的损伤分布在厚度方向呈阶梯形,靠近下面板的位置失效范围较小,越靠近上面板,失效范围越大,而夹芯板双剪搭接接头孔壁上的损伤则更加均匀,厚度方向上失效程度基本一致图两种搭接形式接头的孔壁基体失效对比 宽径比和端径比对夹芯板极限承载力的影响以双剪搭接接头为研究对象,其他参数不变,改变接头的宽径比和端径比,其中宽径比W/D取值为、,端径比E/D取值为、,计算分析
14、了共 组不同宽径比端径比组合的夹芯板接头,计算得到各组接头的极限承载力见图 图 宽径比和端径比对接头极限承载力的影响由图 可知:)对于宽径比W/D而言,双剪搭接接头的极限承载力随着宽径比的增加而增大,当W/D处于 的范围时,除去E/D的接头,随着宽径比的增大,接头的极限承载力飞跃式地提升,而当W/D处于 的区间时,随着宽径比的增加,接头的极限承载力提升较为缓慢,甚至当端径比E/D时,接头承载力还出现了随宽径比增大而减小的现象)对于端径比E/D,承载力随之变化的规律与宽径比类似,随着E/D的增大,接头的承载力整体呈现先增大后减小的趋势,除去W/D的接头,当E/D处于 的范围时,随着端径比的增加,
15、接头的极限承载力同样飞跃式地提升,随后端径比增加,接头的极限承载力提升速度放缓,当E/D增加到 时,大部分接头的承载力开始下降)横向对比图中的承载力变化曲线,发现当W/D或是E/D时,接头的承载力明显低于其他组参数配置宽径比的变化会影响接头整体的拉伸刚度,甚至改变接 头 的 失 效 模 式图 为 当 端 径 比E/D,W/D分别取、接头最终破坏时基体的失效区域对比图 宽径比对接头失效模式的影响随着W/D的变大,接头由沿着板宽方向的拉伸破坏逐渐向沿着板长方向的挤压破坏转变,当W/D 时,基体失效已经不再贯穿整个板宽方向,而是在某个位置停止了扩展,基体拉伸失效范围大大降低,这时接头整体破坏表现为拉
16、伸破坏和挤压破坏的混合,且以挤压破坏为主,这是接头在W/D由增大为 时极限承载力飞跃式提升的原因同样地,端径比的变化会影响接头的剪切刚度进而改变接头的失效模式,图 为当宽径比W/D,E/D分别取、接头最终破坏时基体的失效区域对比图 端径比对接头失效模式的影响当E/D时,失效萌生于夹芯板外边缘区域并向孔受挤压面扩展,随后沿着板宽方向继续扩展直至接头发生破坏,值得注意的是基体的失效为拉伸失效,这是因为螺栓孔离孔边过近,在受到螺栓挤压时,板边缘的抗弯刚度较低,产生较大的面内弯曲变形,夹芯板外边缘产生较高的拉伸应力,见图 通过以上描述的接头破坏过程的特征 可以判断出 接头整体破 坏表现为劈 裂破坏随着
17、端径比的增加,接头的基体失效由夹芯板外边缘向螺栓孔挤压面的扩展逐渐转变为由螺栓孔受挤压面向外扩展,虽然E/D 时基体第期张一鸣,等:复合材料夹芯板螺栓连接渐进失效分析图 夹芯板外边缘面内弯曲变形产生的横向拉伸应力的失效仍然贯穿孔周到夹芯板外边缘,但实际上基体的失效主要为由螺栓孔受挤压面向外扩展的基体压缩失效,同时沿着板宽方向的基体拉伸失效程度也明显降低,这是大部分接头在E/D由变为 时极限承载力飞跃式提升的原因对于夹芯板双剪单钉搭接接头,表为各种宽径比、端径比水平的接头整体破坏模式由表可知:当W/D 时,接头整体主要为拉伸破坏,当E/D 时,接头整体主要发生劈裂破坏,当W/D 且E/D 时,接
18、头整体发生拉伸与挤压混合破坏模式,当E/D,且W/D 时,接头整体发生劈裂与挤压的混合破坏模式,当W/D 且E/D时,接头整体发生挤压破坏,因此应当合理地选择端径比与宽径比以避免接头发生劈裂破坏、拉伸破坏等灾难性的破坏模式表夹芯板双剪单钉搭接接头破坏模式汇总E/DW/D 劈裂劈裂劈裂劈裂劈裂 拉伸劈裂劈裂挤压 劈裂挤压 劈裂挤压拉伸拉伸挤压 劈裂挤压 劈裂挤压 劈裂挤压 拉伸拉伸挤压挤压挤压挤压拉伸拉伸挤压挤压挤压挤压 孔径对夹芯板极限承载力的影响不改变其他参数,采用理想无间隙配合方式,研究双剪搭接接头在螺栓孔孔径D分别取,mm时极限承载力的变化,计算结果见图 图 孔径对接头极限承载力的影响由
19、图 可知:随着孔径的增大,接头的极限承载力大致呈线性上升的趋势以D,mm的三种接头为例,分析三者在接头破坏时刻的基体失效的分布情况,见图 图 三种孔径水平接头破坏时基体失效对比由图 可知:三种接头整体均表现为挤压失效,基体失效均由螺栓孔受挤压面萌生并向夹芯板板长方向扩展,不同的是当D mm时,失效区域类似矩形形状,随着孔径的增加,四种失效模式的范围在增大,形状也逐渐趋于扇形,且扇形的圆心角也随之扩大基于此现象,提取了接头在外载荷为k N时第一层 铺层的孔周径向应力,见图 由图 可知:当D,mm,且孔周接触角在 时,夹芯板孔周的应力集中比较明显,因此损伤区域形状接近于矩形,随着孔径的增加,孔周的
20、应力集中程度逐渐下降,孔周受力更加均匀,因此损伤的范围沿着螺栓孔环向扩大,沿着板长方向缩小图 五种孔径水平接头 铺层的孔周径向应力对比结论)夹芯板单钉单搭接接头、铺层的孔周应力大体上呈对称式分布,、铺层的孔周应力分布不对称;铺层的最大孔周径向应力和周向应力方向均与铺层纤维方向保持一致)夹芯板单钉双剪搭接接头的极限承载力相比单剪搭接接头提升了,且其螺栓孔壁在厚度方向上损伤分布更加均匀)宽径比与端径比的变化会改变夹芯板单钉双剪搭接接头的整体破坏模式,当W/D 时,接头主要为拉伸破坏,当E/D 时,接头武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷主要发生劈裂破坏,当W/D 且E/D 时,接头发生拉伸
21、与挤压的混合破坏模式,当E/D,且W/D 时,接头发生劈裂与挤压的混合破坏模式,当W/D 且E/D时,接头发生挤压破坏;当接头发生劈裂破坏与拉伸破坏时,其极限承载力会大大降低,接头发生挤压破坏时拥有较高的极限承载力)孔径的改变会影响接头孔周损伤的环向均匀程度,当D mm时,失效区域类似矩形,随着孔径的增加,孔周的应力集中程度逐渐下降,孔周受力更加均匀,因此损伤的范围沿着螺栓孔环向扩大,沿着板长方向缩小参 考 文 献K E L L E RT F R Ps a n d w i c hs t r u c t u r e s i nb r i d g ea n db u i l d i n gc o
22、n s t r u c t i o nJC o m p o s i t e sP a r tB E n g i n e e r i n g,():周松复合材料螺栓连接渐进损伤的实验及数值分析D哈尔滨:哈尔滨工程大学,梅俊杰复合材料螺栓连接的数值分析与强度预测D武汉:武汉理工大学,MC C A R THYCT,MC C A R THY M A,L AWL O RVP P r o g r e s s i v ed a m a g ea n a l y s i so fm u l t i b o l t c o m p o s i t e j o i n t sw i t hv a r i a b
23、l eb o l th o l ec l e a r a n c e sJC o m p o s i t e sP a r tB E n g i n e e r i n g,():陈夏良复合材料夹芯板沉头螺栓连接的强度研究D武汉:武汉理工大学,Z HOUS,WAN GZ,Z HOUJ,e ta l E x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o no nb o l t e dc o m p o s i t e j o i n tm a d eb yv a c u u ma s s i s t e dr
24、e s i n i n j e c t i o nJ C o m p o s i t e sP a r tBE n g i n e e r i n g,():姚烨复合材料螺栓连接渐进失效分析与强度研究D武汉:武汉理工大学,P I S AN OAA,F U S CH IP,D OME N I C O D DAl a y e r e dl i m i t a n a l y s i so f p i n n e d j o i n t s c o m p o s i t e l a m i n a t e s:n u m e r i c a lv e r s u se x p e r i m e
25、n t a lf i n d i n g sJC o m p o s i t e sP a r tB E n g i n e e r i n g,():P r o g r e s s i v eF a i l u r eA n a l y s i so fB o l t e dJ o i n to fC o m p o s i t eS a n d w i c hP l a t eZ H A N GY i m i n g)Y A NR e n j u n,)(S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c t u r e,O c e a na n dE n e
26、r g yP o w e rE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(K e yL a b o r a t o r yo fH i g hP e r f o r m a n c eS h i pT e c h n o l o g yo fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a
27、)A b s t r a c t:T h es t a t i c t e n s i l e t e s to f c o m p o s i t es a n d w i c hp l a t e s t e e lp l a t eb o l t e dc o n n e c t i o nw a ss i m u l a t e db yp r o g r e s s i v e f a i l u r em e t h o d,a n dt h e l o a d d i s p l a c e m e n t c u r v ea n df a i l u r em o d eo
28、f t h e j o i n tw e r ec o m p a r e d T h er e s u l t s a r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e t e s t T h e s t r e s sd i s t r i b u t i o na r o u n d t h eh o l eo fs i n g l e s h e a r l a p j o i n tw a s s t u d i e d,a n d t h e e f f e c t s o f l a p f o r m,w i d t h d i a m e
29、 t e r r a t i o,e n d d i a m e t e r r a t i oa n dh o l ed i a m e t e ro nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h e j o i n tw e r ea n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t f i b e rd i r e c t i o n i s t h em a i nb e a r i n gd i r e c t i o no fr a d i a ls t r e s sa n dc i r c u
30、 m f e r e n t i a ls t r e s sa r o u n dt h eh o l e T h eb e a r i n gc a p a c i t yo fd o u b l es h e a r l a p j o i n t i s i n c r e a s e db y c o m p a r e dw i t ht h a to f s i n g l es h e a r l a pj o i n tb e c a u s et h eh o l ew a l l i sd a m a g e da n dd i s t r i b u t e dm o
31、r ee v e n l yi nt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n T h ec h a n g eo fw i d t h d i a m e t e r r a t i oa n de n d d i a m e t e r r a t i ow i l l a f f e c t t h e f a i l u r em o d eo f t h e j o i n t a n d t h e na f f e c t t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h e j o
32、i n t T h e s i z eo f t h e a p e r t u r e a f f e c t s t h eu n i f o r m i t yo f d a m a g ep r o p a g a t i o na l o n gt h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o no f t h eb o l th o l e Wh e nt h ea p e r t u r e i s()mm,t h e l a r g e r t h ea p e r t u r e,t h eh i g h e r t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h e j o i n t K e yw o r d s:c o m p o s i t es a n d w i c hp l a t e;b o l t e d j o i n t;p r o g r e s s i v e f a i l u r em e t h o d;f a i l u r em o d e;u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y第期张一鸣,等:复合材料夹芯板螺栓连接渐进失效分析
