復合材料層合板干涉螺栓安裝過程分層損傷分析方法技術

本發明專利技術提供了一種復合材料層合板干涉螺栓安裝過程分層損傷分析方法，通過解析計算，獲取復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行對比，得到分層判定因子，從而判斷是否發生分層。本發明專利技術提出的方法考慮了引起分層的作用力的實際分布特性以及層合板剛度、干涉量等參數，可以有效判斷結構分層。

【技術實現步驟摘要】
復合材料層合板干涉螺栓安裝過程分層損傷分析方法
本專利技術屬于先進裝配與連接
，具體涉及一種復合材料層合板干涉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涉量引起的分層損傷情況，以及分層損傷發生的初始位置，為安裝過程提供理論支持。
技術介紹
隨著復合材料結構件在飛機、汽車等先進制造領域的逐步推廣應用，其連接形式得到了廣泛關注與發展。其中干涉連接作為一種提高結構連接強度和疲勞壽命的新型連接形式，成為近年來的研究熱點。合適的干涉量可以有效提高結構件的疲勞壽命，但是過大的干涉量很容易在孔周產生損傷，尤其在安裝過程中容易產生分層損傷，進而造成結構壽命下降，無法滿足設計需求。研究高鎖螺栓干涉安裝過程中復合材料層合板的分層損傷機理，通過建立臨界分層力預測模型，獲取不發生分層的最大干涉量，可以為工藝參數提供決策依據，避免分層損傷的發生，有著重要的理論研究意義和工程應用價值。目前對于復合材料的連接分層的研究較少，且主要以數值仿真為主，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。但是針對復合材料層合板的一般性分層研究相對較為成熟，我們可以從中獲得借鑒。復合材料的分層損傷數值模擬方法主要有內聚力(cohesive)單元法和虛擬裂紋擴展法等方法，可以針對分層損傷的萌生與擴展進行直觀的分析與展現；而針對復合材料分層的解析建模，目前在復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、復合材料層合板變形能虛擬增量、分層虛擬擴展的表面能增量和塑性變形功增量之間的關系方程，然后求解臨界軸向力。在高鎖螺栓干涉安裝過程中，其分層作用機理與制孔類似，但是區別是：制孔過程中是鉆尖的集中力導致分層，而高鎖螺栓干涉安裝過程中，是分布于高鎖螺栓四周的均布力壓迫孔壁產生向下的位移，進而導致分層。而均布力則主要是通過釘孔之間的摩擦產生的，因而摩擦力與臨界分層力的大小對比，就成為判斷是否發生分層的重要依據。
技術實現思路
為了預測一定干涉量情況下，高鎖螺栓安裝過程中的分層情況，本專利技術提供了一種復合材料干涉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際分布特性以及層合板剛度、干涉量等參數，可以有效判斷結構分層。本專利技術的技術方案為：所述一種復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：計算復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，ν為復合材料層合板泊松比，M為當量抗彎剛度系數，GIC是與I型分層相關的臨界斷裂能釋放率；當量抗彎剛度系數M為：其中Dij為高鎖螺栓尚未插入的復合材料層合板的抗彎剛度矩陣元素：n為高鎖螺栓尚未插入的復合材料層合板層數，為高鎖螺栓尚未插入的復合材料層合板中第k層板的非材料主方向上的折算剛度系數，Zk是層合板中面到第k層板的距離；步驟2：計算插入高鎖螺栓時，栓孔間的摩擦力f：其中μ為庫倫摩擦系數，t為復合材料層合板厚度，Δ＝R-r，ν12為復合材料層合板12方向的泊松系數，E1為復合材料層合板1方向的彈性模量，E2為復合材料層合板2方向的彈性模量，G12為復合材料層合板12方向的剪切模量，ν21為復合材料層合板21方向的泊松系數；步驟3：根據以下公式判斷是否分層：有益效果本專利技術與現有技術相比有如下優點：1、采用本專利技術的方法，可以通過解析計算，獲取復合材料層合板各層的臨界分層力。2、本專利技術通過深入探究引起分層的內在原因，計算分層判定因子，從而能夠準確判斷是否發生分層。附圖說明本專利技術的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：圖1復合材料層合板高鎖螺栓安裝過程分層機理示意圖。圖2實施實例預測結果。具體實施方式下面詳細描述本專利技術的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標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施例是示例性的，旨在用于解釋本專利技術，而不能理解為對本專利技術的限制。申請人在深入探究了引起分層的內在原因后，提出通過分層判定因子的計算，可判斷是否發生分層。其理論研究采用了以下步驟：(1)根據經典層合板理論，由材料的工程彈性常數和鋪層角度，計算單層板的非材料主方向的折算剛度系數并據此計算高鎖螺栓尚未插入的層合板的抗彎剛度矩陣Dij，式中n為未插入的層合板的總層數，k是表示鋪層順序的自由下標，表示第k層的非材料主方向上的折算剛度系數，Zk是層合板中面到第k層板下表面的距離。依據以上計算結果計算當量抗彎剛度系數M，(2)根據下式計算半徑為r的孔周受高鎖螺栓均布力載荷為Q的撓度ω(r)，其中，F＝2πrQ式中，a為產生彎曲撓度的層合板直徑，ν為泊松比。(3)計算孔周彎曲撓度引起的總體應變能，(4)根據能量守恒原理，建立功能方程，式中，GIC是與I型分層相關的臨界斷裂能釋放率。(5)將(2)(3)帶入(4)中，得到復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式，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式，(6)計算徑向壓應力σr，其中，式中，E1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，ν12為12方向的泊松系數，ν21為21方向的泊松系數，R為高鎖螺栓半徑，r為復合材料層合板孔半徑，θ為與材料主方向的夾角(逆時針)。(7)針對徑向壓應力積分，獲得釘孔間相互作用的徑向載荷N，式中，t為復合材料層合板厚度。(8)依據經典庫倫摩擦定律，計算插釘時釘孔間的摩擦力f，式中，μ為庫倫摩擦系數。(9)計算分層判定因子fd，并作分層判斷，根據上述研究，本實施例對碳纖維增強復合材料層合板進行分析，碳纖維增強復合材料層合板型號為T700/BA9916，工程彈性常量E1＝114GP,E2＝8.61GP,G12＝4.16GP,ν12＝0.3，每層厚度為0.25mm，共計16層，總厚度4mm，鋪層角度[0/45/-45/90]2s,層間I型裂紋擴展的臨界能量釋放率GIC＝280J/m2,高鎖螺栓采用的是Ti-6Al-4V抗剪型平頭高鎖螺栓，直徑為6mm，孔的直徑為5.929mm，干涉量為1.2％。下面計算尚未插入的最后兩層的分層發生情況。(1)根據經典層合板理論，計算單層板材料主方向的剛度系數，利用下式(式中m、n分別是鋪層角度的余弦值和正弦值)計算每個單層的非材料主方向折算剛度系數從最底層向上，剩余鋪層的鋪層角度依次為0°,45°，據此計算尚未插入的兩層層合板的抗彎剛度矩陣計算當量抗彎剛度系數，(2)計算尚未插入的兩層復合材料層合板的臨界分層力，Fc＝219.36N(3)依據經典庫倫摩擦定律，計算尚未插入的兩層復合材料層合板釘孔間的摩擦力,f＝234.36N(4)計算分層判定因子fdfd＝f-Fc＝15N＞0故發生分層。重復以上步驟，可分別計算出尚未插入層為1、4、6、8、10、12、14層時的臨界分層力77.55N、620.44N、1139.8N、1754.9N、2452.5N、3223.9N、4062.6N和摩擦力117.18N、468.71N、703.本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種復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：計算復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：FC=4πrMGIC-2r2(R2-r2)23+ν1-ν(lnrR)2-4R21+ν1-ν+2r2R2(R2-r2)lnrR+1r2-2R2-12r2(1-ν1+ν)2]]>其中，r為復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，ν為復合材料層合板泊松比，M為當量抗彎剛度系數，GIC是與I型分層相關的臨界斷裂能釋放率；當量抗彎剛度系數M為：M=13(3D11+2D12+3D22+4D66)]]>其中Dij為高鎖螺栓尚未插入的復合材料層合板的抗彎剛度矩陣元素：Dij=Σk=1n(Qij‾)k(Zk3-Zk-133)]]>n為高鎖螺栓尚未插入的復合材料層合板層數，為高鎖螺栓尚未插入的復合材料層合板中第k層板的非材料主方向上的折算剛度系數，Zk是層合板中面到第k層板的距離；步驟2：計算插入高鎖螺栓時，栓孔間的摩擦力f：f=μtRΔπrβ(2α-2v12+δ+αδ)]]>其中μ為庫倫摩擦系數，t為復合材料層合板厚度，Δ＝R?r，ν12為復合材料層合板12方向的泊松系數，α=E1E2,β=1-ν12ν21E2+αG12,δ=2(E1E2-ν12)+E1G12]]>E1為復合材料層合板1方向的彈性模量，E2為復合材料層合板2方向的彈性模量，G12為復合材料層合板12方向的剪切模量，ν21為復合材料層合板21方向的泊松系數；步驟3：根據以下公式判斷是否分層：...

【技術特征摘要】
1.一種復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：計算復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為復合材料層合板泊松比，M為當量抗彎剛度系數，GIC是與I型分層相關的臨界斷裂能釋放率；當量抗彎剛度系數M為：其中Dij為高鎖螺栓尚未插入的復合材料層合板的抗彎剛度矩陣元素：n為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張開富，鄒鵬，程暉，劉平，謝歡歡，姜敏暉，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61