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        釘/孔摩擦對復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度的影響研究

        2015-12-28 07:40:23呂霞周儲偉
        機(jī)械制造與自動化 2015年3期
        關(guān)鍵詞:摩擦系數(shù)復(fù)合材料

        呂霞,周儲偉

        (南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院,機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,江蘇 南京 210016)

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        釘/孔摩擦對復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度的影響研究

        呂霞,周儲偉

        (南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院,機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,江蘇 南京 210016)

        摘要:建立了復(fù)合材料層合板單釘連接強(qiáng)度分析的三維模型,模型考慮了螺栓-孔接觸面的摩擦效應(yīng)。研究結(jié)果表明,在各個鋪層中,隨著摩擦系數(shù)的增大,周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力減小。螺栓-孔接觸面摩擦系數(shù)對復(fù)合材料的拉壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度有較大影響,在一定范圍內(nèi)增加摩擦系數(shù)將會提高接頭的極限破壞載荷。

        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料; 螺栓連接; 摩擦系數(shù); 應(yīng)力分布; 連接強(qiáng)度

        0引言

        復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度和優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性,廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)[1]。航空結(jié)構(gòu)中存在著大量的連接,機(jī)械連接(鉚釘或螺栓)是最常用的連接方式。因其脆性和各向異性,復(fù)合材料連接區(qū)域的應(yīng)力集中比金屬結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)重,在擠壓面上應(yīng)力分布比金屬構(gòu)件復(fù)雜得多,擠壓面的質(zhì)量,如粗糙程度、釘與孔之間的間隙等都可能直接關(guān)系到連接強(qiáng)度和失效形式。Chen[2]認(rèn)為摩擦力的存在降低了螺栓-孔擠壓面上的應(yīng)力集中程度,Hyer[3]也認(rèn)為摩擦系數(shù)可以影響擠壓面上應(yīng)力的分布,但是這些結(jié)論都是基于平面應(yīng)力狀態(tài)下的二維分析。復(fù)合材料機(jī)械連接處真實(shí)的應(yīng)力場是三維的,且受很多因素影響(如接觸面粗糙度,鋪層順序等),這些因素只有三維模型才能考慮。摩擦系數(shù)對復(fù)合材料連接破壞影響的研究工作尚不多見,如姜云鵬[4]研究了摩擦對孔邊應(yīng)力的影響,但尚未涉及破壞強(qiáng)度。文中基于商用軟件ABAQUS[5]建立了螺栓連接的三維模型,并引入Hashin[6]失效準(zhǔn)則和改進(jìn)后Camanho[7]剛度退化模型,研究了擠壓面上摩擦系數(shù)對孔邊應(yīng)力及最終連接強(qiáng)度的影響。損傷分析利用UMAT子程序?qū)崿F(xiàn)。

        1有限元模型

        圖1 復(fù)合材料層合板幾何尺寸

        某復(fù)合材料層合板與金屬板采用雙剪單釘連接方式[8],復(fù)合材料板的尺寸見圖1。復(fù)合材料層板的尺寸、鋪層見表1,單鋪層的彈性常數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)見表2,金屬板和螺栓螺帽的材料參數(shù)見表3。三維有限元模型見圖2。由于不考慮分層,所以選用連續(xù)殼單元模擬,共劃分了7094個單元。采用小位移滑移摩擦的主從面接觸算法,孔與螺栓之間采用緊密接觸,在切向采用罰函數(shù)(Penalty),在法向使用硬接觸,模擬復(fù)合材料層合板的連接問題。螺栓與孔、金屬板和復(fù)合材料層合板之間、螺帽和金屬板之間都采用接觸約束。模型采用的邊界條件是:上下金屬板左端約束x、y和z方向,在復(fù)合材料層合板的右端施加位移載荷2mm/min。

        表1 層合板的幾何參數(shù)及鋪層順序

        表2 復(fù)合材料單層性能

        表3 金屬板和螺栓螺帽的參數(shù)

        圖2 有限元模型

        因?yàn)锳BAQUS中后處理得到的只是直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量S11、S22和S12。為了得到周向和徑向應(yīng)力,需要將直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力參量統(tǒng)一到極坐標(biāo)下,轉(zhuǎn)軸公式如下[9]:

        (1)

        (2)

        (3)

        σrr、σθθ為徑向和周向應(yīng)力。在ABAQUS的UMAT子程序中嵌入了 Hashin失效準(zhǔn)則(式(4)-式(8))和Camanho材料退化模型(表4),并對后者的取值進(jìn)行了改進(jìn),取得了更精確的結(jié)果。

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        纖維-基體剪切 (σ11<0)

        (8)

        2摩擦系數(shù)對機(jī)械連接的影響

        2.1摩擦系數(shù)對孔邊應(yīng)力的影響

        設(shè)摩擦系數(shù)分別為0.0,0.1,0.2,0.3。圖3和圖4給出了90°鋪層擠壓面上的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力的分布。從圖中可以看出徑向應(yīng)力在不同的粗糙水平下具有良好的相似度,隨著摩擦系數(shù)的增大,徑向力隨著減小,而且孔邊應(yīng)力集中比光滑時要小,這是因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖?,使得相互擠壓的兩個面上存在剪切效應(yīng),從而使接觸面積增大,接觸面上的擠壓應(yīng)力減小。從圖4中可以看出,螺栓孔周向應(yīng)力在不同的粗糙水平下也具有良好的相似度,隨著摩擦系數(shù)增大,周向應(yīng)力隨著減小,與文獻(xiàn)[4]中得到的結(jié)論基本一致。

        圖3 不同摩擦系數(shù)對[45/0/-45/90] 4S復(fù)合材料層合板的徑向應(yīng)力影響(90°鋪層)

        圖4 不同摩擦系數(shù)對[45/0/-45/90] 4S復(fù)合材料層合板的周向應(yīng)力影響(90°鋪層)

        2.2摩擦系數(shù)對破壞載荷的影響

        本小節(jié)還是使用上一小節(jié)的模型,計(jì)算了4種不同摩擦系數(shù)條件下得到的破壞載荷(圖5)。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.1時,計(jì)算得到的破壞載荷為22.73kN,文獻(xiàn)[8]中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為22.32kN,誤差為2.9%,說明選用的破壞準(zhǔn)則和改進(jìn)后的退化模型是合理的。不同摩擦系數(shù)的破壞載荷對比如表5所示。

        圖5 不同摩擦系數(shù)的載荷位移曲線

        摩擦系數(shù)破壞載荷與摩擦系數(shù)0.1的對比0.022.10kN-2.8%0.122.73kN00.223.81kN4.8%0.324.17kN6.3%

        從圖5可知當(dāng)摩擦系數(shù)從0.0增加到0.3時,破壞載荷從22.10kN。增加到了24.17kN。可見隨著摩擦系數(shù)的增大,破壞載荷也隨著增大,這是因?yàn)樵谳d荷小于滑動摩擦?xí)r,僅僅依靠摩擦力就可以承載。但是摩擦系數(shù)從0.2增大到0.3時發(fā)現(xiàn)破壞載荷才增加了1.5%,可是最外層90°鋪層纖維損傷出現(xiàn)了大面積的損傷,如圖6, 因此容易出現(xiàn)拉伸破壞,所以并不是摩擦系數(shù)越大越好,選擇合適的摩擦系數(shù)對復(fù)合材料層合板的強(qiáng)度有著關(guān)鍵的作用。

        圖6 不同摩擦系數(shù)最外層90°鋪層的纖維拉伸失效區(qū)域

        3結(jié)語

        利用有限元軟件ABAQUS建立了復(fù)合材料層合板的螺栓連接的三維模型,研究了摩擦系數(shù)對螺栓孔邊應(yīng)力分布的影響,在此基礎(chǔ)上基于Hashin失效準(zhǔn)則和Camahno剛度退化模型,研究了摩擦系數(shù)對接頭破壞強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明:

        1) 螺栓孔徑向應(yīng)力在不同的粗糙水平下具有良好的相似度,隨著摩擦系數(shù)的增大,徑向力隨之減小,孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸有所改善。螺栓孔周向應(yīng)力在不同的粗糙水平下也具有良好的相似度,隨著摩擦系數(shù)增大,周向應(yīng)力隨之減小。

        2) 隨著摩擦的增大,復(fù)合材料層合板螺栓連接的強(qiáng)度增大,但90°鋪層的損傷面積會顯著加大,如當(dāng)摩擦系數(shù)從0.2增加到0.3時,強(qiáng)度增加了1.5%,但是90°鋪層的纖維損傷區(qū)域增大了30%,所以在設(shè)計(jì)復(fù)合材料層合板時應(yīng)選擇合適的粗糙度。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 沈觀林, 胡更開. 復(fù)合材料力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2006.

        [2] Wen-Hwa Chen, Shyh Ahiaw Lee, Jyi-T yan Yeh. Three-dimensional contact stress analysis of a composite laminate with bolted joint. Composite Structures, 1995, 30: 287-297.

        [3] Hyer M W, Klang EC. The effect of pin elasticity, clearance and friction on the stresses in a pin-load orthotropic plate. J. Compos. Mater. , 1987, 21: 190-206.

        [4] 姜云鵬,岳珠峰. 單剪螺栓連接復(fù)合材料疊層板螺栓孔周邊應(yīng)力場分布[J]. 機(jī)械強(qiáng)度, 2006,28(2):271-175.

        [5] 石亦平,周玉蓉. ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

        [6] 劉斌,趙亮. 基于hashin失效準(zhǔn)則的復(fù)合材料螺栓連接損傷破壞研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12:1740-1743.

        [7] Camanho PP, Matthews FL. A progressive damage model for mechanically fastened joints in composite laminates, Journal of Composite Materials, 1999,33: 2248-2280.

        [8] 陳向明. 自定義粘接元接觸技術(shù)及其在復(fù)合材料連接強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[M]. 西安. 中國西安強(qiáng)度研究所,2011.

        [9] 徐芝綸. 彈性力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社,2006.

        Research on Effect of Friction on Strength of Composite Laminate in Bolt Joint

        LV Xia, ZHOU Chu-wei

        (State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics

        and Astronautics, College of Aerospace Engineering, Nanjing 210016,China)

        Abstract:A three-dimensional(3D)finite element model of composite laminates in single bolt joint is built to investigate the effect of friction between bolt and hole on the joint strength. The research result shows that as the friction coefficient increases, the circumferential stresses and radial stresses decrease in each ply. Therefore, tensile and shear strengths of the composite laminate joint are greatly influenced by the friction between the hole and bolt. Within a reasonable range, elevating the friction coefficient can increase the critical load capacity of laminates joint.

        Keywords:composites; bolted joints; friction coefficient; stress distribution; joint strength

        基金項(xiàng)目:上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目(A-0903-13-01012)

        收稿日期:2014-12-12

        中圖分類號:TH131

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號:1671-5276(2015)03-0036-03

        作者簡介:呂霞(1988- ),女,碩士研究生,主要研究方向是力學(xué)建模與仿真。

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