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盡管飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)正朝著整體化設(shè)計(jì)與制造方向發(fā)展，但是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)械連接依然大量存在。在復(fù)合材料翼而結(jié)構(gòu)中，彎曲載荷主要由復(fù)合材料蒙皮承受，蒙皮(特別在根部)厚度往往很大，因此，研究復(fù)合材料厚層壓板連接問題依然具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。如何利用快速有效的有限元方法預(yù)測(cè)復(fù)合材料的連接強(qiáng)度分析是提高復(fù)合材料機(jī)械連接設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵問題之一。
在模擬復(fù)合材料連接強(qiáng)度的過程中接觸問題始終是造成收斂困難的主要因素。接觸問題屬于邊界條件的非線性問題，在模擬螺栓與螺栓孔之間的接觸時(shí)非線性問題更為突出，既有由接觸而積變化而產(chǎn)生的非線性，又有由接觸壓力分布變化以及接觸后壓力的突增而產(chǎn)生的非線性，也有由摩擦作用引起的非線性等。
一種易收斂且有效地模擬復(fù)合材料連接強(qiáng)度的方法除了要解決由接觸造成的收斂困難問題以外，還要選取合理的失效準(zhǔn)則以及充分考慮材料破壞機(jī)制的剛度退化模式。在失效準(zhǔn)則的選取上，Hashin失效準(zhǔn)則C7被廣泛地應(yīng)用于復(fù)合材料連接強(qiáng)度分析中，經(jīng)多人修改和發(fā)展，能較準(zhǔn)確地分析出復(fù)合材料的失效狀態(tài)。復(fù)合材料接頭層壓板在達(dá)到初始損傷狀態(tài)后，其材料性能將發(fā)生退化。
目前，應(yīng)用最廣的是由Chang Camanh以及Kermanidisg等人提出的材料剛度按折減系數(shù)進(jìn)行折減的方法，并認(rèn)為擠壓損傷擴(kuò)展超過墊圈外徑后，或拉伸及剪切損傷擴(kuò)展到層壓板邊緣時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生最終破壞。該方法盡管對(duì)拉伸及剪切破壞能夠較為準(zhǔn)確地模擬出接頭層壓板的破壞載荷，但對(duì)于擠壓破壞，擠壓造成的纖維褶皺往往發(fā)生在螺栓墊圈以外，因此認(rèn)為損傷擴(kuò)展至墊圈外徑結(jié)構(gòu)就發(fā)生破壞是不符合真實(shí)破壞機(jī)制的。文獻(xiàn)中對(duì)墊圈內(nèi)外損傷雖然進(jìn)行了區(qū)別對(duì)待，但是并沒有對(duì)墊圈以內(nèi)的材料剛度進(jìn)行退化處理，這也不符合真實(shí)的破壞機(jī)制。因此，有必要對(duì)這種剛度退化方法進(jìn)行改進(jìn)。
為了解決由接觸帶來的收斂困難，以及擠壓破壞的剛度退化模式不符合真實(shí)破壞機(jī)制的問題，本研究建立了簡(jiǎn)單且有效的自定義虛擬粘接元接觸技術(shù)，并在文獻(xiàn)的剛度退化方法基礎(chǔ)上定義了新的剛度退化模式，對(duì)墊圈外的材料剛度退化采用了以指數(shù)函數(shù)形式進(jìn)行連續(xù)折減的退化方法，以此來模擬墊圈外損傷的加速擴(kuò)展。采用該方法來模擬復(fù)合材料接頭強(qiáng)度，模擬得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠較好吻合。
對(duì)于復(fù)合材料機(jī)械連接問題，解決螺栓與復(fù)合材料層壓板之間的接觸問題是得到準(zhǔn)確的應(yīng)力-應(yīng)變分析結(jié)果的關(guān)鍵。為了提高有限元計(jì)算收斂速度，在保證兩接觸對(duì)之間基本傳力的前提下簡(jiǎn)化接觸關(guān)系。首先假設(shè)螺栓相對(duì)螺栓孔沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，所有接觸均不考慮摩擦。在此基礎(chǔ)上，在兩接觸對(duì)之間建立一層被賦予特殊本構(gòu)關(guān)系的粘接單元，該單元只有壓縮剛度沒有拉伸剛度，即只能傳遞壓縮載荷而不能傳遞拉伸載荷。
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