一种复合材料-金属连接结构试验件动态失效模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效模拟方法


[0001]本专利技术涉及机械工程及试验
，具体涉及一种复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效模拟方法。

技术介绍

[0002]因复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强等优越性能，近年来复合材料在军、民用飞机结构中的应用比例得到了大幅度的提升，其应用部位也从活动面等次承力结构逐渐过渡到机身、机翼等主承力结构；尽管飞机复合材料结构正朝着整体化设计与制造的方向发展，但由于结构设计、制造和使用维护等方面的需求，必须设计必要的工艺分离面及维修口盖等，因此，连接结构仍是不可避免的；复合材料连接结构通常出现在部件的过渡区域，表现为连接区域的结构形状间断和材料的不连续性，由此容易导致局部结构的高应力集中，因此连接结构成为飞机整体结构设计的关键环节，其连接设计是飞机结构设计中十分具有挑战的任务之一；
[0003]影响复合材料连接结构强度的因素比金属复杂，部分因素存在本质的差别；例如，金属是塑性的各向同性材料，复合材料是脆性的各向异性材料；金属材料失效与坐标方向无关，而复合材料失效与坐标系相关，刚度、强度逐层退化；因此纤维增强复合材料相较于传统金属材料来说，往往具有更多、更复杂的破坏模式；因此，不能继续沿用金属结构连接设计的思想和方法，否则，会产生较大误差，甚至是严重的设计事故；因此，需要对纤维增强复合材料连接结构进行广泛的研究，研究连接方式对连接强度、失效模式的影响，为相应复合材料连接件最优设计提供有用参考；
[0004]但是，当前服役飞机结构中的主承力构件仍主要使用金属材料，这就不可避免地要对复合材料结构件和金属结构件进行连接。由于复合材料的各向异性和多模式损伤形式，其与金属的连接部位成为整个结构的薄弱部位，航空器复合材料
‑
金属结构件有70％以上的破坏都发生在连接部位,因此，对复合材料
‑
金属连接性能进行研究，具有重要的工程意义。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的问题，本专利技术旨在提供一种复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效模拟方法，本方法通过研究载荷作用方式和不同加载速率对其失效模式的影响规律，揭示其在坠撞载荷作用下的失效机理及失效准则，用以进一步研究其数值模拟方法，突破其建模技术，并在货舱地板下部结构有限元模型中进行应用研究，对于指导工程实际具有学术意义和科学价值。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效模拟方法，包括步骤
[0008]S1.研究高锁螺栓紧固件在复合动态加载下的失效模式与破坏准则，得到具有普适性的失效方程；
[0009]S2.在高锁螺栓紧固件失效方程的基础上，研究复合材料
‑
金属连接结构动态破坏机理及失效准则；
[0010]S3.复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效数值模拟及建模方法研究；
[0011]S4.复合材料
‑
金属连接数值模拟方法在机身结构坠撞仿真中的应用研究。
[0012]优选的，步骤S1所述的研究高锁螺栓紧固件在复合动态加载下的失效模式与破坏准则的过程包括
[0013]S101.采用飞机机身结构使用的典型钛合金高锁螺栓紧固件CFBL1001，以高速液压伺服材料试验机为试验平台，开展其在30
°
拉
‑
剪耦合、45
°
拉
‑
剪耦合、60
°
拉
‑
剪耦合以及纯拉伸、纯剪切等加载模式和不同加载速率下的加载失效实验；
[0014]S102.在动态复合加载试验中，高锁螺栓紧固件在拉伸过程受到的实际载荷可分解为沿拉伸方向的分量和沿剪切方向的分量：
[0015]T(α)＝Fcosα
ꢀꢀꢀ
(1)
[0016]N(α)＝Fsinα
ꢀꢀꢀ
(2)
[0017]在式(1)和式(2)中，F为高锁螺栓紧固件在拉伸过程中的实际载荷，α为加载角度，即拉伸方向与钉杆之间的夹角，T(α)和N(α)分别为沿拉伸方向的分量和沿剪切方向的分量；
[0018]S103.根据纯拉伸、30
°
复合加载、45
°
复合加载、60
°
复合加载和纯剪切试验结果，得到高锁螺栓紧固件的失效面，当高锁螺栓紧固件承受载荷的拉伸分量和剪切分量位于失效面内侧时，高锁螺栓紧固件不发生失效，反之，高锁螺栓紧固件发生失效，则得到高锁螺栓紧固件的失效方程：
[0019][0020]在式(3)中，Tu和Nu分别为最大拉伸载荷和最大剪切载荷，a和b的值可以根据30
°
复合加载、45
°
复合加载、60
°
复合加载试验数据通过数值拟合得到。
[0021]优选的，步骤S2所述的复合材料
‑
金属连接结构动态破坏机理及失效准则的研究过程包括
[0022]S201.基于碳纤维增强树脂基复合材料连接母材和典型的铝合金连接母材，采用高锁螺栓紧固件CFBL1001，设计不同结构的复合材料
‑
金属机械连接结构试验件；
[0023]S202.以高速液压伺服材料试验机为试验平台，开展复合材料
‑
金属机械连接件在加载速率下0.01m/s
‑
10m/s的动态失效试验，获取连接结构试验件的力学性能数据；
[0024]S203.同时利用数字图像技术记录动态失效试验的整个试验过程，并获得试验件表面的动态应变场，观察两种母板的变形情况，结合散斑情况分析不同工况下连接结构的动态失效载荷和失效变形信息，揭示其破坏失效机理。
[0025]优选的，步骤S3所述的复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效数值模拟及建模方法研究过程包括
[0026]S301.采用LS
‑
DYNA有限元分析软件，使用全积分的Belytschko
‑
Tsay壳单元对母板进行网格划分，设母板搭接部分网格尺寸为1mm，其余部分4mm，在厚度上设置多个积分点；
[0027]S302.金属母版采用J
‑
C失效模型或GISSMO损伤模型，复合材料母板采用Chang
‑
Chang失效准则，分别采用胶粘单元和层间接触两种层间建模方式，通过识别关键参数，确定参数取值；采用六面体簇实体单元来模拟紧固件，六面体簇单元是将多个六面体进行组合传递力和载荷，当六面体簇的载荷达到失效条件时，该六面体簇删除；
[0028]S303.通过仿真结果与失效试验结果的相关性分析，评估复合材料
‑
金属机械连接结构仿真结果的精度，对建立的复合材料
‑
金属机械连接结构模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效模拟方法，其特征在于：包括步骤S1.研究高锁螺栓紧固件在复合动态加载下的失效模式与破坏准则，得到锁螺栓紧固件失效方程；S2.在高锁螺栓紧固件失效方程的基础上，研究复合材料
‑
金属连接结构动态破坏机理及失效准则；S3.研究复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效数值模拟及建模方法；S4.研究复合材料
‑
金属连接数值模拟方法在机身结构坠撞仿真中的应用。2.根据权利要求1所述的一种复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效模拟方法，其特征在于：步骤S1所述的研究高锁螺栓紧固件在复合动态加载下的失效模式与破坏准则的过程包括S101.采用典型钛合金高锁螺栓紧固件CFBL1001，以高速液压伺服材料试验机为试验平台，开展其在30
°
拉
‑
剪耦合、45
°
拉
‑
剪耦合、60
°
拉
‑
剪耦合以及纯拉伸、纯剪切等加载模式和不同加载速率下的加载失效实验；S102.在动态复合加载试验中，高锁螺栓紧固件在拉伸过程受到的实际载荷分解为沿拉伸方向的分量和沿剪切方向的分量：T(α)＝Fcosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)N(α)＝Fsinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)在式(1)和式(2)中，F为高锁螺栓紧固件在拉伸过程中的实际载荷，α为加载角度，即拉伸方向与钉杆之间的夹角，T(α)和N(α)分别为沿拉伸方向的分量和沿剪切方向的分量；S103.根据纯拉伸、30
°
复合加载、45
°
复合加载、60
°
复合加载和纯剪切试验结果，得到高锁螺栓紧固件的失效面，当高锁螺栓紧固件承受载荷的拉伸分量和剪切分量位于失效面内侧时，高锁螺栓紧固件不发生失效，反之，高锁螺栓紧固件发生失效，则得到高锁螺栓紧固件的失效方程：在式(3)中，Tu和Nu分别为最大拉伸载荷和最大剪切载荷，a和b的值可根据30
°
复合加载、45
°
复合加载、60
°
复合加载试验数据通过数值拟合得到。3.根据权利要求1所述的一种复合材料
‑
金属连接结构试验件动态失效模拟方法，其特征在于：步骤S2所述的复合材料
‑
金属连接结构动态破坏机理及失效准则的研究过程包括S201.基于碳纤维增强树脂基复合材料连接母材和典型的铝合金连接母...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟浩蕾，冯振宇，解江，肖培，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：