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复合材料机器衔接数值模仿手艺-39022.com-澳门金沙开户网址y80s.com

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因为复合材料的脆性、弹性和强度等性能参数的各向异性的特性,使得其无论是静载剖析照样委靡剖析均比金属材料的剖析庞大;层合板的层间特性和委靡剖析中质料机能的退化,更是加剧了题目的复杂性。应力剖析的准确性、生效原则的合理性及质料机能退化原则的客观性,为数值模仿要领的可行性及其效果的可信性奠基了根蒂根基。

复合材料可改进构造机能,具有明显的加重效益,正在航空航天构造中已由次承力件生长为主承力件,且运用里逐渐扩大。整体化和大型化是航空航天复合材料结构件的发展趋势。但现在而言,复材构造的衔接题目仍旧存在。机器衔接平安牢靠并可通报大载荷,以是正在复材构造中运用普遍。但是孔的加工工艺会引发弗成展望的初始毁伤,损坏质料的连续性,对构造的完整性和承载才能带来晦气影响;因为复合材料是脆性的各项同性质料,其孔周应力集中比金属严峻很多。因而,衔接部位一般是复材构造强度的薄弱环节。实行对复合材料机器衔接停止周全牢靠天剖析,周期少、本钱下;剖析法只能处置惩罚简朴的题目,对庞大构造的剖析却无计可施。相比较而言,数值模仿要领牢靠、本钱低、效力下,借可思索种种构造情势、载荷及边界条件异常适合于工程运用。本课题总结了数值模仿中的有限元法正在复合材料机器衔接中的运用。

内容来自dedecms


影响身分

影响复材板机械衔接讨论力学行动的身分许多,有限元研讨方面重要有以下几点:(1)材料力学参数:单向层板的弹性和强度参数、铺层角及叠放序次、差别角度层的比例、复材机能的分散性、紧固件质料机能;(2)构造情势:搭接情势、开孔结构、端距或边距、搭接长度等多少尺寸;(3)紧固件:紧固件范例及尺寸、螺栓预紧力;(4)打仗:钉孔间隙或过问量、摩擦;(5)事情情况:温度、湿度等。

搭接情势

机器衔接包孕铆接、螺栓衔接和销钉衔接等。按板的搭接情势一样平常能够分为单搭接和双搭接。螺接的重要长处是易于拆卸、轻易构造保护和适宜于通报大载荷的情况。紧固件(包孕销钉、铆钉、螺钉或螺栓等)的倾斜和蜿蜒、预紧力和板的次蜿蜒等身分,使得讨论中的应力应变场呈三维散布,钉孔接触应力正在板薄偏向散布极不均匀,且存在很大的应力集中[1-2]。复合材料是一种弹脆性质料,不像金属材料那样具有显着的塑性阶段,因而,应力集中对复合材料开孔处的影响越发显着。孔边的层间应力使其四周应力场三维效应越发显着,正在很大程度上影响到讨论的生效形式[2]。 织梦好,好织梦

单搭、单搭讨论是美国ASTM 尺度中关于复材机器衔接机能测试的两种尺度设置情势[3],普遍应用于种种实行和数值模仿研讨。因为飞机构造的大多伤害部位均位于单搭讨论,因而研讨单搭讨论比单搭讨论更具代表性。但是,正在单搭讨论的两头施加拉伸载荷时,因为载荷的偏幸,讨论中发生附加弯矩,该弯矩使板发生面中变形,那就是所谓的“次蜿蜒”(Secondary Bending)效应 [4-6]。次蜿蜒是单搭讨论的固有属性,不只改动讨论的部分应变场,借会低落衔接板纵向刚度,影响其整体相应。

生效形式

因为质料机能的各向异性及讨论所受载荷的复杂性等缘由,复材层合板的生效形式极其庞大。相对来讲,单向层合板的生效形式对照简朴,也是最根基的,对复合材料构造的生效剖析很有资助[7]。关于蒙受单向拉伸载荷的单层板,其层合板常见生效形式如图1所示[3]。
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个中拉伸生效、剪切生效和挤压生效是果蒙受里内载荷而发作的;当蒙受里中载荷时,紧固件借能够从讨论中拉出,即所谓的“推脱”。层板的拉伸生效取基体和纤维的拉伸生效有关,一般发生于宽径比很小,大概旁路载荷取紧固件承载比较大时。剪切损坏和挤压损坏则重要是由纤维和基体的紧缩损坏引发的。拉伸损坏取剪切损坏是灾难性的,而挤压损坏则是随载荷和工夫逐步积累的,是构造部分的生效,不会带来构造的灾难性损坏[8]。正在以上几种损坏形式的基础上,随载荷及工夫的转变,当构造挤压损坏后,借可能发生一系列后续的损坏[9],如图1中的(d)和(e)所示。现实运用中复材讨论能够存在多种损坏形式,发作混淆损坏,使得讨论设想和剖析越发难题[10]。

积累毁伤剖析

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正在有限元数值模仿中,将复合材料层合板的尾层生效(First PlyFailure)作为其生效尺度的剖析偏于守旧,因而,剖析构造的终究生效(Last Ply Failure)对进步复材讨论的运用效力具有更为重要的意义[11]。积累毁伤剖析(Progressive DamageAnalysis)经由过程接纳质料参数退化模子能越发正确天反应讨论的承载才能,并且借可模仿终究生效前初始毁伤的发生及其扩大,是一种相对幻想的模仿要领。积累毁伤剖析已普遍应用于复材层合板讨论的种种受载剖析中,如静强度[12-14]、钉群衔接钉载分派、蠕变、湿热效应、委靡寿命展望及毁伤生效[15-16]、鲁棒优化剖析[17]等的研讨中,为构造的公道设想供应了主要根据。应力剖析、生效原则及质料机能退化原则的竖立严峻天影响积累毁伤有限元模仿的效果。因而,应力剖析中应尽量竖立正确公道的模子,同时郑重天挑选生效原则和符合现实的质料机能退化原则[18]。 织梦好,好织梦-金沙现金直营网

(1) 应力剖析

准确的应力剖析是积累毁伤剖析的根蒂根基。因为复材机能的各向异性,差别偏向角的铺层按肯定递次叠合在一起时会形成质料机能的不一连,数学上正在板的自在界限处(包孕孔边沿)存在应力奇特(StressSingularity)[19]。而质料强度是肯定的,以是实行中的应力是有限值,不存在应力奇特。然则层间应力集中却是不可避免的[20-21],明显,若盘算偏向过大或应力集中处置惩罚欠妥(即应力剖析欠妥),毛病的生效判定使讨论强度的展望也不正确[22]。

(2)生效原则

复材的生效,无论是静载生效照样委靡生效,大致上可分为由基体掌握为主的生效或由纤维掌握为主的生效两类,包孕纤维拉伸、纤维紧缩、纤维- 基体剪切、基体拉伸、基体紧缩、横向拉伸和横向紧缩等[18]。现在没有一个关于一切生效都可同时实用的生效表达式,一样平常对差别的生效机理需接纳差别表达式作为其生效原则。典范的Tsai-Wu原则[23]对判定尾层生效是有用的,但没法辨认生效形式;最大应力或应变原则可肯定生效形式,但果已思索各应力间相互作用而显得相对守旧;Hashin原则[24]以二次多项式的情势,凭据差别生效形式给出差别的生效表达式,正在积累毁伤剖析中运用轻易。别的,另有研究者将多原则混淆运用,大概运用其他的或批改的生效原则[25-27]。 织梦内容管理体系

(3)质料机能退化原则

经由过程拔取适宜的生效原则判定出构造部分生效后,需合时天根据一系列质料机能退化原则(MaterialProperty Degradation Rule)低落生效单位的质料机能,以使其对内部载荷做出取现实符合或充足靠近的相应。静载和委靡生效刚度退化的水平是差别的,层合板正在终究生效之前,若运用静载生效原则,则不存在刚度退化的题目;若运用委靡生效原则,则运用质料机能渐进退化(GradualMaterial Property Degradation)体式格局。为便于阐明,现思索静载下的层合板,当载荷单调增至肯定值时,若检测到某层生效,则生效地区的力学性能将发作突变,那是质料机能的骤变退化(Sudden Material PropertyDegradation)。关于蒙受委靡载荷的层合板,当载荷轮回次数少时,其疲劳强度下,不发作生效;跟着轮回次数的增添,质料机能逐步低落,应对其渐进退化;轮回次数继承增至肯定值时,若检测到生效,则构造机能突变,应实时修正其力学参数[18]。

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(4)特性曲线法

构造发作初始损坏以后、终究损坏之前,正在毁伤积累及载荷从新分派历程中,包罗多角度铺层的层合板一样平常仍具有继承承载的才能,也即初始毁伤载荷低于极限载荷。因为孔边存在极大的应力集中,正在展望讨论的终究生效强度时,对一切单位停止生效评价的体式格局显得过于守旧,为此,相干研究人员生长了特性曲线法(Characteristic Curve Method)。Waddoups等[28]提出“等价缺点”(Equivalent Flaw)的观点,应用线弹性损坏力学要领展望带应力集中的复材构造的终究生效,其模子思索了构造终究生效前已存在非灾难性毁伤,层板的强度由固有缺点(InherentFlaw)地区的长度a和无孔板纵向拉伸强度两个参数去评价。Whitney取Nuismer提出了两种替换模子[29]:

· 点应力模子——间隔孔界限肯定间隔rot的点的应力到达无孔板的强度XLT时发作终究生效; 织梦内容管理体系
· 均匀应力模子——距孔界限肯定间隔rot范围内的均匀应力到达无孔板的强度XLT时发作终究生效。

Chang等[30]将Whitney取Nuismer的特性间隔的观点应用到复材讨论的强度展望傍边,H.A.Whitworth等[31]也将其应用到销钉衔接复材讨论的强度展望中。Jin-Hwe Kweon等[32]则提出了一种应用有限元要领肯定特性长度的要领,完整离开了特性长度的测试实验,大大勤俭了剖析本钱和工夫。应用特性曲线法展望构造强度时,起首凭据应力剖析肯定拉伸和紧缩特性长度,进而肯定特性曲线,然后对特性曲线上的单位停止生效评价,检测到生效时的中载就是构造的生效载荷。特性曲线法正在复材讨论强度展望中具有很明显的上风,能够获得取实验靠近的效果。

多钉衔接载荷分派

为了通报更大的载荷,工程中常运用多排紧固件的讨论。复材的脆性、力学性能的各向异性等特性,使得多钉讨论从最先加载到加载至极限载荷的整个过程中,各钉排载荷分派一向严峻不均匀。因为相对承载大的钉孔最先发作损坏,层合板的机能没法获得充分发挥,大大低落了衔接效力[33]。谢鸣九[34]研讨了2~10排钉衔接的各钉排的承载比例,发明钉排数越多,中央的钉排承载越小,多于4排钉的衔接对低落最严峻钉排承载比例的感化很小;杨晓宇等[35]研讨了差别刚度板的衔接,其钉载分派相似,但不再对称,载荷背刚度大的板一侧的螺栓上转移;P.J.Gray等[5]研讨了钉孔间隙对钉载分派的影响,发明只要当讨论的钉孔间隙被消弭后,间隙合营的孔才最先承载,间隙量越大,其最先承载越滞后;Johan Ekh 等[6,36]研讨了钉孔间隙、螺栓预紧力及摩擦等身分对钉载分派的影响,发明间隙量对钉载分派影响最大,任何细小的改动都将使载荷背间隙最小的紧固件上转移,借发明进步紧固件的刚度将使离其近来的紧固件上的一部分载荷背该钉上转移。鉴于间隙量对钉载分派的影响,当具有差别湿热收缩机能的板互相衔接时,温度、湿度对钉载分派也起着不可忽视的感化,复材衔接钉载分派中的湿热效应借有待深切研讨。

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结束语

数值模仿手艺是一种新且有用的求解种种工程题目的近似要领,研究人员已胜利将该手艺运用到了复材机器衔接手艺的相干剖析中。因为复合材料的脆性、弹性和强度等性能参数的各向异性的特性,使得其无论是静载剖析照样委靡剖析均比金属材料的剖析庞大;层合板的层间特性和委靡剖析中质料机能的退化,更是加剧了题目的复杂性。应力剖析的准确性、生效原则的合理性及质料机能退化原则的客观性,为数值模仿要领的可行性及其效果的可信性奠基了根蒂根基。

正在后续的研究工作中,应当建立起可视化的、参数化的有限元分析软件包,以简化复材机器衔接剖析的历程。该软件包不只要为复材剖析供应专门的优越的交互式建模、后续处置惩罚的GUI 界面、雄厚的质料库、现在研讨中常用的生效原则和质料机能退化原则,并且借应为用户自定义质料、生效原则和退化原则供应简单易行的接口,以低落对剖析者的专业性的要求,制止剖析准确度过分天依靠使用者的履历。

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