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复合材料螺栓连接渐进损伤的实验及数值分析
| 论文题名： | 复合材料螺栓连接渐进损伤的实验及数值分析 |
| 关键词： | 复合材料;螺栓连接;渐进损伤;失效模式;数值模拟;几何参数 |
| 摘要： | 复合材料以其优异的材料性能广泛应用于航空航天、船舶制造和土木工程行业,复合材料的广泛使用,使得复合材料结构尺寸日渐增大,而复合材料接头则是决定复合材料结构性能的关键因素。有研究表明,结构失效70％发生在接头处,因此,对于复合材料接头的研究就显得至为重要了。接头形式多种多样,胶接和机械连接为主要连接方式。螺栓连接是机械连接的典型连接方式,应用也较为广泛,本文分别使用实验与数值的方法研究了复合材料螺栓连接接头的渐进损伤失效。相关研究的详细内容如下: 1.针对复合材料螺栓连接T型接头中接触对较多的问题,选用ABAQUS处理接触有限元问题。同时,改变不同接触属性:接触面摩擦系数和螺栓预紧力,计算二者对T型接头螺栓孔周边应力的影响规律。使用不同外载条件,分析外载对T型接头应力分布的影响。 2.使用扩展有限元预测螺栓连接单搭接接头的失效,由于接头问题是一个三维问题,因此,传统壳单元对于解决接头问题并不太适合。本文使用MATLAB开发了复合材料层合板等效模量的计算程序,为了验证扩展有限元的优点和特性,首先我们将数值结果与实验结果进行了对比,同时,研究了不同网格密度对计算结果和失效模式的影响,并数值模拟了不同铺层角度对接头失效的影响。然后,数值模拟了几何参数下的失效模式和失效载荷,几何参数为W/D和E/D。最后模拟了两个螺栓连接接头的失效过程,并与单螺栓连接接头进行了对比。 3.实验研究了几何参数对于复合材料螺栓连接单搭接接头的影响规律,选取的几何参数比为W/D和E/D。在试验中用于测试材料参数和接头失效的部件为VARI工艺制备而成。实验测试了接头中复合材料层合板的工程模量,而后通过实验分析了螺栓扭矩对于复合材料接头失效载荷的影响。最后通过实验研究了参数对接头失效载荷及失效模式的影响规律。 4.在数值分析中,选用三维HASHIN准则,利用ABAQUS子程序USDFLD和VUMAT开发复合材料渐进损伤子程序。USDFLD子程序中,一旦应力满足失效准则,则将材料刚度进行衰减,而VUMAT子程序中,一旦应力满足失效准则,材料刚度衰减后,同时在子程序中进行应力计算。两种渐进损伤模型与实验结果吻合良好。对比两种渐进损伤模型可以发现,VUMAT子程序收敛速度快,精度也满足工程需要,因此,在工程计算中,可以选用此种简便快速的计算方法,节省计算成本。最后,使用用户子程序UMAT与内聚力方法,预测接头压缩失效。 综上所述,本文对不同复合材料螺栓连接接头进行了较系统的研究,希望能为工程设计提供参考和帮助。 |
| 作者： | 周松 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 王振清 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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