CN102682170A - 一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料技术，涉及对复合材料结构机械连接湿装配工艺的一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法。本发明对胶层硬度和拧紧力矩在复合材料结构机械连接湿装配工艺中的影响进行了分析，分别对材料层板模型、胶层模型和螺栓模型进行分析，绘制出复合材料板孔边环向及径向应力曲线，给出了一种复合材料孔边应力的分析方法和工程化的应力处理方法，解决了湿装配工艺中胶层硬度、螺栓拧紧力矩对复合材料孔边应力集中影响的分析手段不足的问题，提供了复合材料孔边应力提取和处理的方法，可以帮助工程技术人员对孔边应力集中进行直观的判断，有较高的工程应用价值。

Description

一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法

技术领域

本发明属于复合材料技术，涉及对复合材料结构机械连接湿装配工艺的一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法。

背景技术

复合材料的各向异性和脆性特点，使得其破坏形式与金属材料差别较大，在连接处由于其材料脆性，不会像金属材料那样发生屈服使得应力分散，其钉孔承载不均匀，其破坏往往形式多样。目前，复合材料结构机械连接中普遍采用湿装配工艺，其装配工艺的好坏对于连接处的应力分布也有很大的影响。如胶层硬度、拧紧力矩对复合材料结构机械连接的影响是应当注意的影响因素，但目前很少有对于这两个影响因素的具体分析方法和结果分类处理方法。

发明内容

本发明的目的是提出针对湿装配胶层硬度和螺栓拧紧力矩影响的一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法。

本发明的技术方案是：

（1）带孔层板模型几何尺寸

以层板模型上孔的直径d为基准，在连接件载荷方向上的模型长度L的一半大于4d，即L/2≥4d，在垂直载荷方向上的层板模型宽度w的一半大于2.5d,即W/2≥2.5d，层板模型在载荷方向上的一端进行约束;

（2）元素类型和尺寸

元素选用六面体元，在过渡区域或者圆角区采用五面体元，在六面体元中，长宽比或长高比或宽高比为1∶1～10∶1；

（3）三维复合材料铺层属性的处理

采用MSC/NASTRAN软件中三维各向异性的材料属性卡模拟复合材料各铺层的属性，区别复合材料单向带中45度铺层和-45度铺层，将0度铺层的三维各向异性的单向带铺层的元素值转换为复合材料单向带中45度铺层、-45度铺层和90度铺层材料刚度矩阵：

代入MSC/NASTRAN软件中对带孔模型进行分析；其中，{σ}＝{σ_x σ_y σ_z τ_xy τ_yz τ_zx}为铺层应力分量，等式右边为铺层材料刚度矩阵，下标1-6表示材料坐标系下的X,Y,Z,XY,YZ和ZX方向，{ε}＝{ε_x ε_y ε_z γ_xy γ_yz γ_zx}为铺层应变分量；

（4）湿装配中胶层模型

利用上述步骤（2）中采用的体元来模拟胶层，胶层的材料属性为各向同性；

（5）湿装配中螺栓模型

利用上述步骤（2）中采用的体元分别模拟螺杆和螺栓，螺杆和螺栓的材料属性为各向同性；

（6）在有限元层板模型中的孔中心建立柱形坐标系，将节点分析坐标系设置为柱形坐标系；

（7）将通过共用节点的分析坐标系为柱形坐标系的带孔层板模型、胶层模型和螺栓模型代入NASTRAN软件中进行应力分析；

（8）应力的提取和分类处理

(a)利用MSC/Patran软件的后处理功能，设置圆弧提取路径，沿着层板模型的孔边的切线和法线方向提取应力分量，切线方向应力定义为：环向应力，孔边法线方向定义为：径向应力；

(b)无量化处理，给出应力集中系数

引入板净截面拉伸应力P_H＝P/(W-d)·T和孔挤压应力P_d＝P/(d·T)进行无量纲化处理；

最大径向应力因子K_rd：

最大环向应力因子

其中W为模型板宽，T为层合板厚度

（9）绘制复合材料湿装配连接处材料性能孔边应力曲线设置孔的中心点为坐标系的原点；

坐标系纵轴的刻度按照径向最大应力与挤压应力比K_rd进行设置；

坐标系横轴的刻度按照最大环向应力因子

进行设置；

由孔的中心点与孔边应力提取点划直线，以直线与圆的交点为0点，在直线上绘制提区点的应力集中系数，提区点的应力集中系数包括径向最大径向应力因子K_rd和最大环向应力因子

当绘制最大径向应力因子K_rd值时，以纵轴的刻度为基准，在直线上绘制径向最大应力与挤压应力比K_rd，当绘制最大环向应力因子

值时，以横轴的刻度为基准，在直线上绘制最大环向应力因子

所述的元素选用8节点的六面体元，在过渡区域或者圆角区采用6节点的五面体元。

本发明具有的优点和有益效果，本发明对胶层硬度和拧紧力矩在复合材料结构机械连接湿装配工艺中的影响进行了分析，分别对材料层板模型、胶层模型和螺栓模型进行分析，绘制出复合材料板孔边环向及径向应力曲线，给出了一种复合材料孔边应力的分析方法和工程化的应力处理方法，解决了湿装配工艺中胶层硬度、螺栓拧紧力矩对复合材料孔边应力集中影响的分析手段不足的问题，提供了复合材料孔边应力提取和处理的方法，可以帮助工程技术人员对孔边应力集中进行直观的判断，有较高的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明复合材料板孔边环向及径向应力曲线；

图2是本发明有限元模型示意图，其中，a是分析模型实体示意图，b是有限元模型示意图。

图3是本发明最大环向应力因子

与拧紧力矩及摩擦影响系数k_f关系图。

具体实施方式

本发明给出了机械连接螺栓孔边的应力分析建模方法，采用了三维的有限元建模方法，确定了合理的元素尺寸，以保证分析结果的合理性。

（1）孔边分析模型几何尺寸

以孔的直径d为基准，在载荷方向（连接件载荷）上，模型长度L的一半要至少大于4d，即L/2≥4d，在垂直载荷方向上，模型宽度的一半要至少大于2.5d,即W/2≥2.5d，模型在载荷方向上的一端进行约束。

（2）元素类型和尺寸

元素选用六面体元（HEX8），在过渡区域或者圆角区，由于需要，可采用少量的五面体元（WEDGE6），在六面体元中，长宽比或长高比或宽高比最好为1∶1，比值最大不要超过10∶1。

（3）三维（3D）复合材料铺层属性的处理方法

采用三维各向异性的材料属性卡（MSC/NASTRAN软件中的MAT9卡）来模拟各铺层的属性，此MAT9卡可区分45度铺层和-45度铺层的区别，但三维各向异性的材料属性卡需要知道铺层材料刚度矩阵的每一个元素的数值，以下介绍各元素数值的推导过程。

对于三维各向异性的单向带铺层，有如下关系：

（见MSC.Nastran 2003 Linear Static Analysis User’s Guide，Section 5.6,MSC.softwar，2003）

其中等式左边{σ}＝{σ_x σ_y σ_z τ_xy τ_yz τ_zx}为铺层应力分量，等式右边

为铺层材料刚度矩阵，下标1-6表示材料坐标系下的X,Y,Z,XY,YZ和ZX方向，{ε}＝{ε_x ε_y ε_z γ_xy γ_yz γ_zx}为铺层应变分量。

下面介绍如何由给定的三维铺层材料属性（0度铺层），来推导出工程中使用铺层（45度，-45度以及90度）的三维材料属性。

根据复合材料层合板理论:{σ}_xy=[T]_f{σ}₁₂，{σ}₁₂=[Q]{ε}₁₂，

{ε}_xy＝[T]_e{ε}₁₂

∴ ${\left\{\mathrm{\σ}\right\}}_{\mathrm{xy}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x\\ {\mathrm{\σ}}_y\\ {\mathrm{\σ}}_z\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}\end{array}\right]={\left[T\right]}_f\left[Q\right]{\left[T\right]}_e^{-1}{\left\{\mathrm{\ϵ}\right\}}_{\mathrm{xy}},$ ∵ ${\left[T\right]}_e^{-1}={\left[T\right]}_f^T$

∴

注：对于三维正交各向异性材料，G14,G15,G16,G24,G25,G26,G34,G35,G36,G45,G46和G56为零。

{σ}_xy为给定坐标系下的应力分量，{σ}₁₂为材料坐标系下的应力分量；{ε}_xy为给定坐标系下的应力分量，{ε}₁₂为材料坐标系下的应力分量；

[T]_f，[T]_e分别为应力和应变的坐标系转化矩阵；

转换矩阵: ${\left[T\right]}_f=\left[\begin{array}{cccccc}{m}^2& n^2& 0& -2\mathrm{mn}& 0& 0\\ n^2& m^2& 0& 2\mathrm{mn}& 0& 0\\ 0& 0& 1& & 0& 0\\ \mathrm{mn}& -\mathrm{mn}& & m^2-n^2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& m& n\\ 0& 0& 0& 0& -n& m\end{array}\right],$ m=Cosθ,n＝Sinθθ为铺层的角度。

其中矩阵：

$\left[Q\right]=\frac{1}{\mathrm{\Δ}}\left[\begin{array}{cccccc}{E}_{11}(1-v_{23}{v}_{32})& E_{11}(v_{21}+v_{31}{v}_{23})& E_{11}(v_{31}+v_{21}{v}_{32})& & & \\ E_{22}(v_{12}+v_{13}{v}_{32})& E_{22}(1-v_{13}{v}_{31})& E_{11}(v_{32}+v_{12}{v}_{31})& 0& & \\ E_{33}(v_{13}+v_{12}{v}_{23})& E_{33}(v_{23}+v_{21}{v}_{13})& E_{11}(1-v_{12}{v}_{21})& & & \\ & & & \mathrm{\Δ}{G}_{12}& & \\ & 0& & & \mathrm{\Δ}{G}_{23}& \\ & & & & & \mathrm{\Δ}{G}_{31}\end{array}\right]$

Δ＝1-v₁₂v₂₁-v₂₃v₃₂-v₃₁v₁₃-2v₁₂v₂₃v₃₁

矩阵中E₁₁、E₂₂、E₃₃、v₁₂、v₂₃、v₃₁、v₂₁、v₁₃、v₃₂为0度铺层的三维材料属性。

（4）应力的提取和分类处理方法

(a)沿着孔边的切线和法线方向来提取此两个方向的应力分量，步骤为：在有限元模型中的孔中心建立柱形坐标系，将节点分析坐标系设置为柱形坐标系，利用软件MSC/Patran的后处理功能，设置圆弧提取路径，提取应力。

切线方向应力定义为：环向应力，孔边法线方向定义为：径向应力。

(b)无量化处理，给出应力集中系数

按照工程应用习惯，引入层板净截面拉伸应力P_H＝P/(B-d)·T和孔挤压应力P_d＝P/(d·T)来进行无量纲化处理，达到直观、实用的目的。

最大径向应力因子K_rd：

最大环向应力因子

其中W为模型板宽，T为层合板厚度。

按照图1的形式进行孔边应力的绘制：图中曲线对应关系：1-K_rd，

$(K_{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}}^{\max }=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^{\max }}{P_H},K_{\mathrm{rd}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_r^{\max }}{P_d})$

（2）湿装配中胶层硬度对孔边应力集中的影响分析

利用和（1）相同的建模方法，用体元来模拟胶层，胶层的材料属性简化为各向同性。无胶层时，用MSC/NASTRAN中接触分析方法来考虑机械连接件安装时与孔边存在的间隙。

含胶层的孔边应力按照图1的方法来绘制。

分析发现，对于机械连接件安装时存在的间隙，可以用湿装配工艺（胶）来提高其连接应力应变状态。例：在0.23%装配间隙下,H/d=2.0，d/B=0.3时胶层对层合板应力集中的影响见表1。从表1可以看出，胶层的硬度从0.2×10⁴MPa增长到3×10⁴MPa时，环向应力大约会减小10%。

表1 胶层对层合板应力应变状态的影响

（3）螺栓拧紧力矩对复合材料机械连接影响的分析

拧紧力矩对复合材料机械连接强度的贡献，表现为拧紧力矩可使连接处的摩擦力增加，从而减小螺栓孔的挤压应力，使其强度有所提高。

利用体元模拟螺栓的端头以及螺母，在机械连接件端头和螺母与被连接件的接触面，采用NASTRAN的接触分析方法来进行分析，此时需要根据接触面上材料的特性定义具体的摩擦系数。

例：在一层合板机械连接件模型中，得到最大环向应力集中因子与摩擦影响系数关系见图2，图中1、2、3、4分别表示拧紧力为100KN、200KN、300KN、400KN。从图2可知，摩擦系数越大，拧紧力矩对机械连接强度的影响越大，应力减缩梯度也越大。

Claims (2)

1.一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法，其特征是，

（1）带孔层板模型几何尺寸

以层板模型上孔的直径d为基准，在连接件载荷方向上的模型长度L的一半大于4d，即L/2≥4d，在垂直载荷方向上的层板模型宽度w的一半大于2.5d,即W/2≥2.5d，层板模型在载荷方向上的一端进行约束;

（2）元素类型和尺寸

元素选用六面体元，在过渡区域或者圆角区采用五面体元，在六面体元中，长宽比或长高比或宽高比为1∶1～10∶1；

（3）三维复合材料铺层属性的处理

采用MSC/NASTRAN软件中三维各向异性的材料属性卡模拟复合材料各铺层的属性，区别复合材料单向带中45度铺层和-45度铺层，将0度铺层的三维各向异性的单向带铺层的元素值转换为复合材料单向带中45度铺层、-45度铺层和90度铺层材料刚度矩阵：

代入MSC/NASTRAN软件中对带孔模型进行分析；其中，{σ}＝{σ_x σ_y σ_z τ_xy τ_yz τ_zx}为铺层应力分量，

为铺层材料刚度矩阵，下标1-6表示材料坐标系下的X,Y,Z,XY,YZ和ZX方向，{ε}＝{ε_x ε_y ε_z γ_xy γ_yz γ_zx}为铺层应变分量；

（4）湿装配中胶层模型

利用上述步骤（2）中采用的体元来模拟胶层，胶层的材料属性为各向同性；

（5）湿装配中螺栓模型

利用上述步骤（2）中采用的体元分别模拟螺杆、螺栓和螺母，螺杆、螺栓和螺母的材料属性为各向同性；

（6）在有限元层板模型中的孔中心建立柱形坐标系，将节点分析坐标系设置为柱形坐标系；

（7）将通过共用节点的分析坐标系为柱形坐标系的带孔层板模型、胶层模型和螺栓模型代入MSC/NASTRAN软件中进行应力分析；

（8）应力的提取和分类处理

(a)利用MSC/PATRAN软件的后处理功能，设置圆弧提取路径，沿着层板模型孔边的切线和法线方向提取应力分量，切线方向应力定义为环向应力，孔边法线方向定义为径向应力;

(b)无量化处理，给出应力集中系数

引入板净截面拉伸应力P_H＝P/(W-d)·T和孔挤压应力P_d＝P/(d·T)进行无量纲化处理；

最大径向应力因子K_rd：

最大环向应力因子

其中W为模型板宽，T为层合板厚度；

（9）绘制复合材料湿装配连接处材料性能孔边应力曲线设置孔的中心点为坐标系的原点；

坐标系纵轴的刻度按照最大径向应力因子K_rd进行设置；

坐标系横轴的刻度按照最大环向应力因子

进行设置；

由孔的中心点与孔边应力提取点划直线，以直线与圆的交点为0点，在直线上绘制提区点的应力集中系数，提区点的应力集中系数包括径向最大径向应力因子K_rd和最大环向应力因子

当绘制最大径向应力因子K_rd值时，以纵轴的刻度为基准，在直线上绘制径向最大应力与挤压应力比K_rd，当绘制最大环向应力因子K_rd值时，以横轴的刻度为基准，在直线上绘制最大环向应力因子K_rd。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法，其特征是，所述的元素选用8节点的六面体元，在过渡区域或者圆角区采用6节点的五面体元。

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