摘 要: 采用 APDL 二次开发语言，建立了多层复合材料层合板螺栓连接的三维有限元模型，应用牛顿-拉普森非线性迭代算法，对多层复合材料层合板的螺栓连接模型的失效分析进行了研究，并对其最终失效进行了预测。分析计算得出层合板的铺层顺序不同，几何尺寸不同，螺栓连接结构的失效形式就不相同。在一定的程度上，采用合理的铺层顺序，可以优化载荷分配，提高连接效率。
关键词: 复合材料层合板; 有限元模型; 失效分析; 螺栓连接
0 引 言
目前，复合材料由于其有强度高，刚性好，抗疲劳性能好和良好的热稳定性等优点，被广泛运用于航空航天、航海和汽车等众多工程领域中。同时随着复合材料的广泛运用，复合材料的连接问题日益引起了人们的关注。目前常见的复合材料连接方式主要分为机械连接和胶接连接两种[1]，机械连接又可以分为螺栓连接和铆钉连接两种连接方式。螺栓连接由于其本身可重复装配和装卸方便等优点又被运用于大部分的连接结构当中。已有相关资料[2]表明，厚度均匀的复合材料层合板采用螺栓连接的方式要比其他连接方式的连接效率要很多。由于复合材料连接过程中存在着非线性的问题，其对比计算有一定的难度，利用了 ANSYS 软件的二次开发语言 APDL，同时基于三维逐渐损伤理论和 K. I. Tsepres 等人[3-5]提出的退化准则，建立了复合材料层合板螺栓连接的有限元模型。通过对其不断加载，分析了螺栓连接的失效形式，并对其最终失效进行了预测分析。通过本模型，可以对复合材料层合板螺栓连接的失效进行可视化分析，为螺栓连接结构复合材料层合板的研究提供了一种新的研究方法。
1 建立模型及受力分析计算
1. 1 螺栓连接有限元模型的建立本次建立的复合材料螺栓连接结构简图如图 1 所示，本次连接决定采用上下板为金属板，而中间板采用复合材料层合板。金属板和螺栓紧固件决定采用相 同 的 金 属 材 料，材料的弹性模量为 Ex = 206 GPa，泊松比为 vxy = 0. 3。复合材料采用 T300 /1034- C 层合板，其各层铺层顺序为( [0 / ±45 /90]2 ) s。中间复合材料层合板的宽度为 W，复合材料板长度 L2，金属板的长度为 L1，端距 e，钉距 p，复合材料板厚为 t，h 和 h1 分别为金属上下板两端的厚度，D1、D2、D3 则为相对应的螺栓直径，相应数值如表 1 所示。
1. 2 受力分析计算复合材料板为各向异性材料，σxx，σzz，σyy 分别表示板的纤维方向的主应力、横向应力和法向应力。下标字母 b、c 和 s 分别表示材料受拉伸、受挤压和材料受剪切。σxy，σxz，σyz 则分别表示复合材料上的纵横方向，纵法方向和横法方向上相对应的切应力。当程序计算出该单元失效时，就会将单元应力上的分量自动切换到其相应材料主方向上。最终的失效判别依据: 如果有任一单元铺层的失效扩展到板宽边缘，那么就判为该复合材料板最终失效。建立了复合材料力学板的计算流程如 3 所示。
2 累积损伤扩展计算分析
在具体分析累积损伤分析之前，需用不同的颜色对其不同的损伤形式进行标记，如图 4 ～ 7。从图 6 和图 7 可以得出，复合材料板的结构损伤首先出现在孔边缘，然后向板边缘进行扩展。90°铺层时出现的损伤形式主要是基体开裂，0°铺层的主要扩展形式是纤维断裂。层合板 45°和-45°铺层的情况下，发生的损伤形式主要是基体开裂-基纤剪切。
3 结 论
( 1) 利用了 ANSYS 有限元软件的二次开发语言 APDL 编写了复合材料层合板的参数化建模，分析和计算程序，达到了对复合材料层合板的失效进行可视化分析的效果，为复合材料板螺栓连接的失效分析提供了一种新的研究方法。
( 2) 通过此模型分析计算可以得出，无论层合板的铺层顺序如何，单元失效都是从螺栓连接的孔边缘开始向板边缘扩展。但不同的铺层顺序发生的单元失效形式不同。
( 3) 在复合材料板单元开始失效的初始阶段，发生的失效形式比较单一，但是随着力的载荷的不断增加，失效形式开始由单一的失效形式变成复合性损伤，损伤形式开始出现多元化。
参考文献:
[1] 中国航空研究院. 复合材料连接手册[M]. 北京: 航空工业出版社，1994.
[2] 赵美英. 复合材料机械连接失效分析及强度影响因素研究[D].西安: 西北工业大学，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.
《复合材料螺栓连接的强度预测与失效分析研究》来源：《机械研究与应用》，作者：王雪峰，李 飞，赵豪杰，朱永刚。
