GBJM方法在復(fù)合材料機(jī)械連接釘載分配中的應(yīng)用研究

陳櫟同 劉明明 戴方適

摘 要 本文對(duì)現(xiàn)有復(fù)合材料機(jī)械連接計(jì)算釘載分載主要數(shù)值方法進(jìn)行梳理，并重點(diǎn)對(duì)GBJM方法進(jìn)行了介紹。同時(shí)通過(guò)建立典型連接結(jié)構(gòu)形式有限元模型應(yīng)用GBJM方法進(jìn)行釘載計(jì)算并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，證明新方法計(jì)算效率高、與試驗(yàn)值吻合度高的優(yōu)點(diǎn)。為后續(xù)研究、預(yù)測(cè)復(fù)合材料釘孔失效問(wèn)題提供了幫助。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料;釘載分配;有限元模型;GBJM

引言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)中，機(jī)械連接由于其易拆卸、維護(hù)，工藝性好，傳載能力強(qiáng)，等特點(diǎn)，被用作為主要連接形式。但由于復(fù)合材料各向異性、延展性差、層間剪切強(qiáng)度低等特點(diǎn)，使得其失效形式眾多，所以為進(jìn)一步分析復(fù)合材料機(jī)械連接失效形式，確定連接區(qū)釘載分配變得尤為重要。

釘載分配分析作為強(qiáng)度估算的基礎(chǔ)主要有三種分析方法：試驗(yàn)法、解析法和數(shù)值法，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)值法作為目前普遍采用且適用性較廣的一種方法，一直受到青睞，本文對(duì)基于GBJM方法的復(fù)合材料多釘連接結(jié)構(gòu)釘載分配計(jì)算進(jìn)行了研究。

1現(xiàn)有數(shù)值方法

目前確定復(fù)合材料釘載分配主要方法有兩種。一種為試驗(yàn)測(cè)量。在使用該方法時(shí)，由于復(fù)合材料受工藝性影響其性能參數(shù)具有分散性，往往需要設(shè)置多組試驗(yàn)件才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，其耗時(shí)長(zhǎng)，需要大量準(zhǔn)備工作以及設(shè)備，尤其對(duì)于大尺寸復(fù)合材料連接試驗(yàn)，成本高，不易實(shí)現(xiàn);另一種方法即利用有限元方法進(jìn)行釘載計(jì)算，尤其在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段，該方法被大量使用。

對(duì)于利用有限元方法進(jìn)行復(fù)合材料機(jī)械連接仿真計(jì)算釘載分配，主要有三種方法：①建立二維板殼單元模擬連接件，使用梁?jiǎn)卧?、桿單元或者fastener單元模擬連接釘。該方法建模速度快、計(jì)算周期短，但該方法無(wú)法模擬實(shí)際連接中的釘孔接觸、配合間隙、摩擦力等的影響，其結(jié)果只能作為初步設(shè)計(jì)的依據(jù);②在①方法的基礎(chǔ)上，利用間隙元模擬釘孔配合間隙、接觸的影響。但由于其在多釘或者大規(guī)模釘組分析中，釘載分配復(fù)雜，無(wú)法確定實(shí)際接觸面，所以建模階段需要對(duì)每個(gè)連接釘?shù)恼麄€(gè)圓周上設(shè)置間隙元，計(jì)算規(guī)模太大，不易建模，耗時(shí)多。一般僅用于釘孔細(xì)節(jié)分析中;③利用三維有限元單元建立實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算。該方法幾乎可模擬接觸、裝配間隙、預(yù)緊力等幾乎所有機(jī)械連接特性，但由于實(shí)體模型規(guī)模很大，對(duì)硬件要求更高，且接觸分析對(duì)網(wǎng)格要求高，計(jì)算不易收斂，耗時(shí)很長(zhǎng)等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中往往不易實(shí)現(xiàn)。

2GBJM方法

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，Gray等人在2010年提出了一種新的螺栓連接模擬方法，即GBJM方法（ global bolted joint model）。通過(guò)采用梁?jiǎn)卧詈辖馕鰟傮w面模擬螺栓連接特征。通過(guò)多年應(yīng)用，該方法的有效性與正確性已經(jīng)被試驗(yàn)證實(shí)。本文即利用GBJM方法計(jì)算復(fù)合材料層壓板機(jī)械連接結(jié)構(gòu)釘載，并通過(guò)與已有的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比證明方法的有效性。

3GBJM方法在復(fù)材連接釘載計(jì)算中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

GBJM方法由于在建模中需要采用梁?jiǎn)卧詈辖馕鰟傮w面模擬螺栓連接特征，建模過(guò)程較為復(fù)雜。此處以復(fù)合材料層壓板三釘單剪結(jié)構(gòu)為例說(shuō)明其在有限元軟件ABAQUS中的建模過(guò)程，見(jiàn)圖1。為了便于與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)構(gòu)件材料以及幾何特征均取自參考文獻(xiàn)1。

首先需要按照連接板幾何尺寸，保留其釘孔的幾何特征，取其中位面。按照連接釘?shù)挠行чL(zhǎng)度建立梁元，并將線段在連接板釘孔中位面以及連接板間接觸界面處設(shè)置節(jié)點(diǎn)。建立圓柱形剛性面模擬螺栓外表面，直徑為釘孔直徑，高度為孔深，并同時(shí)在剛性面中心建立參考點(diǎn)。接著，按裝配關(guān)系將連接板、連接釘、離散剛性面進(jìn)行裝配，其中剛性面參考點(diǎn)與連接釘線段上與連接板中位面打斷處節(jié)點(diǎn)重合并將剛性面參考點(diǎn)與連接釘線段上重合節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度進(jìn)行耦合。將連接釘線段上對(duì)應(yīng)釘孔中心點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)作為控制節(jié)點(diǎn)與釘孔孔徑一周單元節(jié)點(diǎn)的釘軸向以及中位面面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行耦合。在離散剛性面與釘孔孔壁節(jié)點(diǎn)之間建立接觸關(guān)系。最后在模型中施加邊界條件，載荷，求解得到釘載。

4試驗(yàn)值對(duì)比

通過(guò)與試驗(yàn)值比較可以看出，通過(guò)GBJM得到的結(jié)果相比試驗(yàn)值，兩側(cè)的釘受載更為嚴(yán)重，但誤差較小，在可接受范圍內(nèi)，見(jiàn)表1。

5應(yīng)用前景

GBJM方法由于其獨(dú)特的計(jì)算方式，較小的計(jì)算代價(jià)以及工作復(fù)雜程度介于實(shí)體模型與利用傳統(tǒng)連接單元模型之間，對(duì)于組合件級(jí)別大小的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)而言，在壁板連接區(qū)應(yīng)力分析、機(jī)身對(duì)接連接區(qū)應(yīng)力分析、組合框連接區(qū)應(yīng)力分析等等典型結(jié)構(gòu)局部連接應(yīng)力分析中存在廣泛應(yīng)用前景。

6結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有復(fù)合材料機(jī)械連接計(jì)算釘載分載主要數(shù)值方法進(jìn)行梳理，并重點(diǎn)對(duì)GBJM方法進(jìn)行了介紹。同時(shí)通過(guò)建立典型連接結(jié)構(gòu)形式有限元模型應(yīng)用GBJM方法進(jìn)行釘載計(jì)算并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，證明新方法計(jì)算效率高、與試驗(yàn)值吻合度高的優(yōu)點(diǎn)。為后續(xù)研究、預(yù)測(cè)復(fù)合材料釘孔失效問(wèn)題提供了幫助。