復(fù)合材料層合板干涉螺栓安裝過程分層損傷分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于先進(jìn)裝配與連接技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種復(fù)合材料層合板干設(shè)螺栓安 裝過程中的分層損傷分析方法，獲得各層臨界分層力，判斷高鎖螺栓安裝過程中不同干設(shè) 量引起的分層損傷情況，W及分層損傷發(fā)生的初始位置，為安裝過程提供理論支持。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)、汽車等先進(jìn)制造領(lǐng)域的逐步推廣應(yīng)用，其連接形式 得到了廣泛關(guān)注與發(fā)展。其中干設(shè)連接作為一種提高結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度和疲勞壽命的新型連接 形式，成為近年來的研究熱點(diǎn)。合適的干設(shè)量可W有效提高結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，但是過大的 干設(shè)量很容易在孔周產(chǎn)生損傷，尤其在安裝過程中容易產(chǎn)生分層損傷，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)壽命 下降，無法滿足設(shè)計(jì)需求。研究高鎖螺栓干設(shè)安裝過程中復(fù)合材料層合板的分層損傷機(jī)理， 通過建立臨界分層力預(yù)測模型，獲取不發(fā)生分層的最大干設(shè)量，可W為工藝參數(shù)提供決策 依據(jù)，避免分層損傷的發(fā)生，有著重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 目前對于復(fù)合材料的連接分層的研究較少，且主要W數(shù)值仿真為主，尤其是針對 高鎖螺栓安裝過程分層損傷的解析建模，目前還沒有針對性的研究。但是針對復(fù)合材料層 合板的一般性分層研究相對較為成熟，我們可W從中獲得借鑒。復(fù)合材料的分層損傷數(shù)值 模擬方法主要有內(nèi)聚力（cohesive)單元法和虛擬裂紋擴(kuò)展法等方法，可W針對分層損傷 的萌生與擴(kuò)展進(jìn)行直觀的分析與展現(xiàn)；而針對復(fù)合材料分層的解析建模，目前在復(fù)合材料 制孔方向相對成熟，其主要是基于虛功原理，在鉆頭虛擬軸向位移上建立軸向力虛功、復(fù)合 材料層合板變形能虛擬增量、分層虛擬擴(kuò)展的表面能增量和塑性變形功增量之間的關(guān)系方 程，然后求解臨界軸向力。
[0004] 在高鎖螺栓干設(shè)安裝過程中，其分層作用機(jī)理與制孔類似，但是區(qū)別是：制孔過程 中是鉆尖的集中力導(dǎo)致分層，而高鎖螺栓干設(shè)安裝過程中，是分布于高鎖螺栓四周的均布 力壓迫孔壁產(chǎn)生向下的位移，進(jìn)而導(dǎo)致分層。而均布力則主要是通過釘孔之間的摩擦產(chǎn)生 的，因而摩擦力與臨界分層力的大小對比，就成為判斷是否發(fā)生分層的重要依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了預(yù)測一定干設(shè)量情況下，高鎖螺栓安裝過程中的分層情況，本發(fā)明提供了一 種復(fù)合材料干設(shè)螺栓安裝過程分層損傷分析方法。該方法考慮了引起分層的作用力的實(shí)際 分布特性W及層合板剛度、干設(shè)量等參數(shù)，可W有效判斷結(jié)構(gòu)分層。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] 所述一種復(fù)合材料層合板干設(shè)螺栓安裝過程分層損傷分析方法，其特征在于：包 括W下步驟：
[0008]步驟1:計(jì)算復(fù)合材料層合板在高鎖螺栓安裝過程中，尚未插入層的臨界分層力 Fc：
[0009]
[0010] 其中，r為復(fù)合材料層合板中高鎖螺栓安裝孔的孔半徑，R為高鎖螺栓半徑，V為 復(fù)合材料層合板泊松比，Μ為當(dāng)量抗彎剛度系數(shù)，Gi。是與I型分層相關(guān)的臨界斷裂能釋放 率；當(dāng)量抗彎剛度系數(shù)Μ為：
[0011]
[0012]其中Di,為高鎖螺栓尚未插入的復(fù)合材料層合板的抗彎剛度矩陣元素：
[0013]
[0014]η為高鎖螺栓尚未插入的復(fù)合材料層合板層數(shù)，為高鎖螺栓尚未插入的復(fù)合 材料層合板中第k層板的非材料主方向上的折算剛度系數(shù)，Zk是層合板中面到第k層板的 距離；
[0015] 步驟2:計(jì)算插入高鎖螺栓時(shí)，栓孔間的摩擦力f:
[0016]
[0017]其中μ為庫倫摩擦系數(shù)，t為復(fù)合材料層合板厚度，Δ=R-r，V12為復(fù)合材料層 合板12方向的泊松系數(shù)，
[0018]
[0019]El為復(fù)合材料層合板1方向的彈性模量，E2為復(fù)合材料層合板2方向的彈性模量， Gi2為復(fù)合材料層合板12方向的剪切模量，V21為復(fù)合材料層合板21方向的泊松系數(shù)；
[0020] 步驟3 :根據(jù)W下公式判斷是否分層：
[0021]
[002引有益效果
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1、采用本發(fā)明的方法，可W通過解析計(jì)算，獲取復(fù)合材料層合板各層的臨界分層 力。
[00巧]2、本發(fā)明通過深入探究引起分層的內(nèi)在原因，計(jì)算分層判定因子，從而能夠準(zhǔn)確 判斷是否發(fā)生分層。
【附圖說明】
[0026] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0027] 圖1復(fù)合材料層合板高鎖螺栓安裝過程分層機(jī)理示意圖。
[002引圖2實(shí)施實(shí)例預(yù)測結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0030] 申請人在深入探究了引起分層的內(nèi)在原因后，提出通過分層判定因子的計(jì)算，可 判斷是否發(fā)生分層。其理論研究采用了W下步驟：
[0031] (1)根據(jù)經(jīng)典層合板理論，由材料的工程彈性常數(shù)和鋪層角度，計(jì)算單層板的非 材料主方向的折算剛度系數(shù)，并據(jù)此計(jì)算高鎖螺栓尚未插入的層合板的抗彎剛度矩陣 Di.i，
[0032]
[0033] 式中η為未插入的層合板的總層數(shù)，k是表示鋪層順序的自由下標(biāo)，表示第 k層的非材料主方向上的折算剛度系數(shù)，Zk是層合板中面到第k層板下表面的距離。
[0034] 依據(jù)W上計(jì)算結(jié)果計(jì)算當(dāng)量抗彎剛度系數(shù)M，
[0035]
[0036] 似根據(jù)下式計(jì)算半徑為r的孔周受高鎖螺栓均布力載荷為Q的曉度ω(r)，
[004引式中，a為產(chǎn)生彎曲曉度的層合板直徑，V為泊松比。
[0044] (3)計(jì)算孔周彎曲曉度引起的總體應(yīng)變能，
[0045]
[004引 （4)根據(jù)能量守恒原理，建立功能方程，
[0047]
[004引式中，Gic是與I型分層相關(guān)的臨界斷裂能釋放率。
[004引妨將似做帶入（4)中，得到復(fù)合材料層合板高鎖螺栓安裝過程尚未插入層的 臨界分層力表達(dá)式，
[0050]
[0051] 令式中a=R，得半徑為R的高鎖螺栓安裝過程臨界分層力表達(dá)式，
[0057] 式中也為1方向的彈性模量，E2為2方向的彈性模量，G12為12方向的剪切模量， V12為12方向的泊松系數(shù)，V21為21方向的泊松系數(shù)，R為高鎖螺栓半徑，r為復(fù)合材料層 合板孔半徑，Θ為與材料主方向的夾角（逆時(shí)針）。
[0058] (7)針對徑向壓應(yīng)力積分，獲得釘孔間相互作用的徑向載荷N，
[0059]
[0060] 式中，t為復(fù)合材料層合板厚度。
[0061] (8)依據(jù)經(jīng)典庫倫摩擦定律，計(jì)算插釘時(shí)釘孔間的摩擦力f，
[0062]
[0063] 式中，μ為庫倫摩擦系數(shù)。
[0064] (9)計(jì)算分層判定因子fd，并作分層判斷，
[0065]
[0066] 根據(jù)上述研究，本實(shí)施例對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板進(jìn)行分析，碳纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料層合板型號為T700/BA9916,工程彈性常量Ei= 114GP，E 2= 8. 61GP，G 12 = 4. 16化V12= 0. 3,每層厚度為0. 25mm，共計(jì)16層，總厚度4mm，鋪層角度[0/45/-45/90]2s， 層間I型裂紋擴(kuò)展的臨界能量釋放率Gk= 280J/m2,高鎖螺栓采用的是Ti-6A1-4V抗剪型 平頭高鎖螺栓，直徑為6mm，孔的直徑為5. 929mm，干設(shè)量為1. 2%。下面計(jì)算尚未插入的最 后兩層的分層發(fā)生情況。
[0067] (1)根據(jù)經(jīng)典層合板理論，計(jì)算單層板材料主方向的剛度系數(shù)，
[0068]
[0069]利用下式（式中m、n分別是鋪層角度的余弦值和正弦值）計(jì)算每個(gè)單層的非材料 主方向折算剛度系數(shù)、，從最底層向上，剩余鋪層的鋪層角度依次為0°，45°，
[0072] 據(jù)此計(jì)算尚未插入的兩層層合板的抗彎剛度矩陣
[0073]
[0074] 計(jì)算當(dāng)量抗彎剛度系數(shù)，
[00巧]
[0076] (2)計(jì)算尚未插入的兩層復(fù)合材料層合板的臨界分層力，
[0077] Fc= 219. 36N
[0078] (3)依據(jù)經(jīng)典庫倫摩擦定律，計(jì)算尚未插入的兩層復(fù)合材料層合板釘孔間的摩擦 力，
[0079]f= 234. 36N
[0080] (4)計(jì)算分層判定因子fd
[0081]fd=f-F,= 15N> 0
[0082] 故發(fā)生分層。
[0083] 重復(fù)W上步驟，可分別計(jì)算出尚未插入層為1、4、6、8、10、12、14層時(shí)的臨界分 層力 77. 55N、620. 44N、1139. 8N、1754. 9N、2452. 5N、3223. 9N、4062. 6N和摩擦力 117. 18N、 468. 71N、703. 07N、937. 42N、1171. 8N、1406. 1N、1640. 5N，并作分層判定。
[0084] 盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可W理解的是，上述實(shí)施例是示例 性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨 的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可W對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合材料層合板干涉螺栓安裝過程分層損傷分析方法，其特征在于：包括以下 步驟： 步驟1 :計(jì)算復(fù)合材料層合板在高鎖螺栓安裝過程中，尚未插入層的臨界分層力Fc:其中，r為復(fù)合材料層合板中高鎖螺栓安裝孔的孔半徑，R為高鎖螺栓半徑，v為復(fù)合 材料層合板泊松比，Μ為當(dāng)量抗彎剛度系數(shù)，Gie是與I型分層相關(guān)的臨界斷裂能釋放率；當(dāng) 量抗彎剛度系數(shù)Μ為：其中D、,為高鎖螺栓尚未插入的復(fù)合材料層合板的抗彎剛度矩陣元素：η為高鎖螺栓尚未插入的復(fù)合材料層合板層數(shù)，（$)λ為高鎖螺栓尚未插入的復(fù)合材料 層合板中第k層板的非材料主方向上的折算剛度系數(shù)，Zk是層合板中面到第k層板的距離； 步驟2 :計(jì)算插入高鎖螺栓時(shí)，栓孔間的摩擦力f :其中μ為庫倫摩擦系數(shù)，t為復(fù)合材料層合板厚度，△= R-r，v12為復(fù)合材料層合板 12方向的泊松系數(shù)，Ei為復(fù)合材料層合板1方向的彈性模量，E 2為復(fù)合材料層合板2方向的彈性模量，G 12為復(fù)合材料層合板12方向的剪切模量，v 21為復(fù)合材料層合板21方向的泊松系數(shù)； 步驟3 :根據(jù)以下公式判斷是否分層：
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料層合板干涉螺栓安裝過程分層損傷分析方法，通過解析計(jì)算，獲取復(fù)合材料層合板各層的臨界分層力，并用臨界分層力與栓孔間的摩擦力進(jìn)行對比，得到分層判定因子，從而判斷是否發(fā)生分層。本發(fā)明提出的方法考慮了引起分層的作用力的實(shí)際分布特性以及層合板剛度、干涉量等參數(shù)，可以有效判斷結(jié)構(gòu)分層。
【IPC分類】G01N33/00
【公開號】CN105277661
【申請?zhí)枴緾N201510732417
【發(fā)明人】張開富, 鄒鵬, 程暉, 劉平, 謝歡歡, 姜敏暉
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月2日