一种基于渐进损伤模型预测复合材料多钉连接强度的方法与流程

本发明涉及一种基于渐进损伤模型预测复合材料多钉连接强度的方法。

背景技术：

碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂为基体所形成的复合材料，具有高强度、高模量、低密度等特点。这些优异的性能使得其应用十分广泛。但是碳纤维增强复合材料的结构设计和制造是其应用关键问题，而结构的连接问题则一直是该项技术的难题。碳纤维增强复合材料的连接主要是螺栓连接和胶接连接，在强度高、载荷大的情况下一般都使用螺栓连接，而且螺栓连接也便于拆卸，所以螺栓连接在复合材料连接中使用十分广泛。

特征曲线法是一种机械连接强度预测的经验方法。由于含孔边存在应力集中，研究者通过定义孔边的特征曲线及其对应的特点，并根据这些特征点处的应力状态来评价连接结构是否失效。在此基础上提出的特征曲线法，该方法假设孔边存在一条特征曲线，可以根据曲线上点的应力状态评价螺栓连接是否失效。由于特征曲线法简单方便，并有很好的预测精度，所以在工程上被广泛应用。

特征曲线法的三个要素分别为特征曲线的形式、特征曲线尺寸和失效准则。该方法最早由chang提出，它的特征曲线形式是由拉伸特征长度和压缩特征长度所确定的曲线，其表达式为：

rc(θ)＝r0+rt+(rc-rt)cosθ-90°≤θ≤90°

式中，rt和rc分别为拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸，由实验决定；r0为孔的半径；θ为复合材料连接的纵向挤压平面顺时针或逆时针向拉伸平面方向旋转的角度。连接结构的失效模式按照θ的位置划分：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；75°≤|θ|≤90°时，为拉伸失效；

经典特征曲线预测螺栓连接强度时特征曲线的确定比较复杂，尤其是在多钉连接时，首先要采用钉载分配的方法计算各个钉所承受的载荷比，以承载最严重的钉孔作为关键孔，在根据关键空的几何、材料和铺层等参数设计并制备测试的试验件，通过静力拉伸试验获得开孔板拉伸破坏载荷和受载孔的挤压破坏载荷，并据此计算拉伸和压缩特征尺寸，得到特征曲线。特征曲线尺寸的确定在不同的关键孔参数需要不同的试验件，花费巨大而且耗费时间。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于渐进损伤模型预测复合材料多钉连接的方法，该方法不需要通过大量的试验来确定特征尺寸，使得经典特征尺寸的确定更加的高效、方便。

本发明的技术解决方案为：一种基于渐进损伤模型预测复合材料多钉连接的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一，通过有限元软件ansys建立碳纤维复合材料多钉连接的模型；

步骤二，利用钉载分配的有限元法对碳纤维复合材料多钉连接进行钉载分配分析，以确定关键孔的位置；

步骤三，采用ansys中apdl编程确定上述模型的破坏载荷；

步骤四，根据破坏载荷计算出拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸；

步骤五，基于所得到的压缩和拉伸特征尺寸确定经典特征曲线的表达式；

经典特征曲线的表达式为：

rc(θ)＝r0+rt+(rc-rt)cosθ(-90°≤θ≤90°)

式中，rt和rc分别为拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸，由实验决定；r0为孔的半径；θ为复合材料连接的纵向挤压平面顺时针或逆时针向拉伸平面方向旋转的角度。连接结构的失效模式按照θ的位置划分：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；75°≤|θ|≤90°时，为拉伸失效；

步骤六，根据得到的表达式预测碳纤维复合材料多钉连接的强度和失效模式。

进一步地，在步骤一中，碳纤维复合材料多钉连接模型的实现方式为：

(11)、按照所需要的碳纤维复合材料多钉连接结构参数要求，确定层合板的铺层要求、孔的几何参数和其他参数；

(12)、基于上述层合板的铺层要求、孔的几何参数和其它参数要求，通过有限元软件ansys建立多钉连接结构的三维有限元模型。

进一步地，在步骤二中，碳纤维复合材料多钉连接钉载分配分析确定关键孔的实现方式为：

(22)、利用有限元法对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析，得到各个螺钉承受的载荷比，其中承受载荷最高的即为关键孔，以此确定关键孔的位置。

进一步地，采用ansys中apdl编程确定碳纤维复合材料多钉连接模型的破坏载荷实现方式为：

(33)通过ansys中apdl命令流的仿真获得开孔层合板拉伸破坏载荷；

(34)运用上述同样的方法获得受载孔层合板挤压破坏载荷。

进一步地，根据破坏载荷计算出拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸实现方式为：

(41)、得到拉伸破坏载荷后，采用应力分析方法计算拉伸破坏载荷下开孔板各单层在拉伸平面上的各点的应力，带入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距离即为拉伸特征长度rt；

(42)、得到挤压破坏载荷后，采用应力分析方法计算破坏载荷作用下受载孔板挤压失效平面上各点的应力，带入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为压缩特征长度rc。

进一步地，根据第四步所得到的拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸得到经典特征曲线的实现方式为：

(51)、根据步骤四计算得到的拉伸特征尺寸rt、压缩特征尺寸rc和关键孔半径r0；

(52)、将计算得到的拉伸特征尺寸rt、压缩特征尺寸rc和关键孔半径r0的数值带入经典特征曲线的表达式中，就可以得到关键孔的经典特征曲线。

进一步地，根据所得到的表达式预测碳纤维复合材料多钉连接的强度和失效模式的实现方式为：

(61)、计算得出各个钉孔所承受的钉载比和应力分布状态；

(62)、将特征曲线上各应力值带入失效判据进行计算，当在特征曲线上的任意一点的破坏系数大于或等于1时，即认为该连接结构失效，进而得到碳纤维复合材料多钉连接结构的破坏载荷。

有益效果：本发明基于渐进损伤模型预测碳纤维复合材料多钉连接强度的经典特征曲线法中，通过有限元软件ansys中命令流的仿真能够得到层合板的拉伸破坏载荷和挤压破坏载荷，这样就可以省去了实验的环节，使得经典特征尺寸的确定更加的高效、方便；本发明通过在有限元中建模，代替了传统试样制备，所以在碳纤维复合材料多钉连接结构设计能够节省大量的时间和成本。

附图说明

图1是基于试验测试的经典特征曲线法的实施流程图；

图2是本发明的实施流程图；

图3是经典特征曲线法示意图；

图4是多钉连接示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种基于渐进损伤模型预测复合材料多钉连接的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一，通过有限元软件ansys建立碳纤维复合材料多钉连接的模型；

步骤二，利用钉载分配的有限元法对碳纤维复合材料多钉连接进行钉载分配分析，以确定关键孔的位置；

步骤三，采用ansys中apdl编程确定上述模型的破坏载荷；

步骤四，根据破坏载荷计算出拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸；

步骤五，基于所得到的压缩和拉伸特征尺寸确定经典特征曲线的表达式；

经典特征曲线的表达式为：

rc(θ)＝r0+rt+(rc-rt)cosθ(-90°≤θ≤90°)

式中，rt和rc分别为拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸，由实验决定；r0为孔的半径；θ为复合材料连接的纵向挤压平面顺时针或逆时针向拉伸平面方向旋转的角度。连接结构的失效模式按照θ的位置划分：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；75°≤|θ|≤90°时，为拉伸失效；

步骤六，根据得到的表达式预测碳纤维复合材料多钉连接的强度和失效模式。

进一步地，在步骤一中，碳纤维复合材料多钉连接模型的实现方式为：

(11)、按照所需要的碳纤维复合材料多钉连接结构参数要求，确定层合板的铺层要求、孔的几何参数和其他参数；

(12)、基于上述层合板的铺层要求、孔的几何参数和其它参数要求，通过有限元软件ansys建立多钉连接结构的三维有限元模型。

进一步地，在步骤二中，碳纤维复合材料多钉连接钉载分配分析确定关键孔的实现方式为：

(23)、利用有限元法对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配分析，得到各个螺钉承受的载荷比，其中承受载荷最高的即为关键孔，以此确定关键孔的位置。

进一步地，采用ansys中apdl编程确定碳纤维复合材料多钉连接模型的破坏载荷实现方式为：

(35)通过ansys中apdl命令流的仿真获得开孔层合板拉伸破坏载荷；

(36)运用上述同样的方法获得受载孔层合板挤压破坏载荷。

进一步地，根据破坏载荷计算出拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸实现方式为：

(41)、得到拉伸破坏载荷后，采用应力分析方法计算拉伸破坏载荷下开孔板各单层在拉伸平面上的各点的应力，带入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距离即为拉伸特征长度rt；

(42)、得到挤压破坏载荷后，采用应力分析方法计算破坏载荷作用下受载孔板挤压失效平面上各点的应力，带入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为压缩特征长度rc。

进一步地，根据第四步所得到的拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸得到经典特征曲线的实现方式为：

(51)、根据步骤四计算得到的拉伸特征尺寸rt、压缩特征尺寸rc和关键孔半径r0；

(52)、将计算得到的拉伸特征尺寸rt、压缩特征尺寸rc和关键孔半径r0的数值带入经典特征曲线的表达式中，就可以得到关键孔的经典特征曲线。

进一步地，根据所得到的表达式预测碳纤维复合材料多钉连接的强度和失效模式的实现方式为：

(61)、计算得出各个钉孔所承受的钉载比和应力分布状态；

(62)、将特征曲线上各应力值带入失效判据进行计算，当在特征曲线上的任意一点的破坏系数大于或等于1时，即认为该连接结构失效，进而得到碳纤维复合材料多钉连接结构的破坏载荷。