摘 要: 采用 APDL 二次開發語言，建立了多層復合材料層合板螺栓連接的三維有限元模型，應用牛頓-拉普森非線性迭代算法，對多層復合材料層合板的螺栓連接模型的失效分析進行了研究，并對其最終失效進行了預測。分析計算得出層合板的鋪層順序不同，幾何尺寸不同，螺栓連接結構的失效形式就不相同。在一定的程度上，采用合理的鋪層順序，可以優化載荷分配，提高連接效率。

　　關鍵詞: 復合材料層合板; 有限元模型; 失效分析; 螺栓連接

　　0 引 言

　　目前，復合材料由于其有強度高，剛性好，抗疲勞性能好和良好的熱穩定性等優點，被廣泛運用于航空航天、航海和汽車等眾多工程領域中。同時隨著復合材料的廣泛運用，復合材料的連接問題日益引起了人們的關注。目前常見的復合材料連接方式主要分為機械連接和膠接連接兩種[1]，機械連接又可以分為螺栓連接和鉚釘連接兩種連接方式。螺栓連接由于其本身可重復裝配和裝卸方便等優點又被運用于大部分的連接結構當中。已有相關資料[2]表明，厚度均勻的復合材料層合板采用螺栓連接的方式要比其他連接方式的連接效率要很多。由于復合材料連接過程中存在著非線性的問題，其對比計算有一定的難度，利用了 ANSYS 軟件的二次開發語言 APDL，同時基于三維逐漸損傷理論和 K. I. Tsepres 等人[3-5]提出的退化準則，建立了復合材料層合板螺栓連接的有限元模型。通過對其不斷加載，分析了螺栓連接的失效形式，并對其最終失效進行了預測分析。通過本模型，可以對復合材料層合板螺栓連接的失效進行可視化分析，為螺栓連接結構復合材料層合板的研究提供了一種新的研究方法。

　　1 建立模型及受力分析計算

　　1. 1 螺栓連接有限元模型的建立本次建立的復合材料螺栓連接結構簡圖如圖 1 所示，本次連接決定采用上下板為金屬板，而中間板采用復合材料層合板。金屬板和螺栓緊固件決定采用相 同 的 金 屬 材 料，材料的彈性模量為 Ex = 206 GPa，泊松比為 vxy = 0. 3。復合材料采用 T300 /1034- C 層合板，其各層鋪層順序為( [0 / ±45 /90]2 ) s。中間復合材料層合板的寬度為 W，復合材料板長度 L2，金屬板的長度為 L1，端距 e，釘距 p，復合材料板厚為 t，h 和 h1 分別為金屬上下板兩端的厚度，D1、D2、D3 則為相對應的螺栓直徑，相應數值如表 1 所示。

　　1. 2 受力分析計算復合材料板為各向異性材料，σxx，σzz，σyy 分別表示板的纖維方向的主應力、橫向應力和法向應力。下標字母 b、c 和 s 分別表示材料受拉伸、受擠壓和材料受剪切。σxy，σxz，σyz 則分別表示復合材料上的縱橫方向，縱法方向和橫法方向上相對應的切應力。當程序計算出該單元失效時，就會將單元應力上的分量自動切換到其相應材料主方向上。最終的失效判別依據: 如果有任一單元鋪層的失效擴展到板寬邊緣，那么就判為該復合材料板最終失效。建立了復合材料力學板的計算流程如 3 所示。

　　2 累積損傷擴展計算分析

　　在具體分析累積損傷分析之前，需用不同的顏色對其不同的損傷形式進行標記，如圖 4 ～ 7。從圖 6 和圖 7 可以得出，復合材料板的結構損傷首先出現在孔邊緣，然后向板邊緣進行擴展。90°鋪層時出現的損傷形式主要是基體開裂，0°鋪層的主要擴展形式是纖維斷裂。層合板 45°和-45°鋪層的情況下，發生的損傷形式主要是基體開裂-基纖剪切。

　　3 結 論

　　( 1) 利用了 ANSYS 有限元軟件的二次開發語言 APDL 編寫了復合材料層合板的參數化建模，分析和計算程序，達到了對復合材料層合板的失效進行可視化分析的效果，為復合材料板螺栓連接的失效分析提供了一種新的研究方法。

　　( 2) 通過此模型分析計算可以得出，無論層合板的鋪層順序如何，單元失效都是從螺栓連接的孔邊緣開始向板邊緣擴展。但不同的鋪層順序發生的單元失效形式不同。

　　( 3) 在復合材料板單元開始失效的初始階段，發生的失效形式比較單一，但是隨著力的載荷的不斷增加，失效形式開始由單一的失效形式變成復合性損傷，損傷形式開始出現多元化。

　　參考文獻:

　　[1] 中國航空研究院. 復合材料連接手冊[M]. 北京: 航空工業出版社，1994.

　　[2] 趙美英. 復合材料機械連接失效分析及強度影響因素研究[D].西安: 西北工業大學，2006.

　　[3] Chang F K，Lessard L B. Damage Tolerance of Laminated Composites Containing an Open Hole and Subjected to Compressive Loadings: Part I-Analysis[J]. J. Compos. Master. ，1991( 25) : 2-43.

　　《復合材料螺栓連接的強度預測與失效分析研究》來源：《機械研究與應用》，作者：王雪峰，李 飛，趙豪杰，朱永剛。