复合材料螺栓连接失效的数值模拟

复合材料成型数值模拟及其应用复合材料在现代工业中应用广泛，具有轻质、高强度、高刚度和优异的耐久性等特点。

然而，复合材料的成型过程可谓是一门艺术和技术的结合，需要大量的工程经验，试错和大量的实验验证。

随着计算机技术的不断进步，数值模拟成为一种有效的预测和分析复合材料成型过程的方法。

本文将从数值模拟的角度出发，探讨复合材料在制造过程中的应用。

一、复合材料成型的基本过程复合材料的成型过程一般分为模具设计、预浸料制备、预浸料浸渍、层叠和压缩这几个步骤。

1. 模具设计模具是决定复合材料成型特性的关键因素之一。

合理的模具设计可以提高复合材料的成型质量和生产效率。

目前，常用的模具包括手工模具、金属模具和树脂模具等。

2. 预浸料制备复合材料一般采用热固性环氧树脂作为基体材料，预浸料是将纤维预先浸润在树脂中的半成品材料。

预浸料的制备是浸渍复合材料的基础，质量的高低直接影响到成品的质量。

3. 预浸料浸渍浸渍是将预浸料浸润在纤维上的过程，纤维的含量、树脂的流动性和浸渍过程的参数都是影响浸渍质量的重要因素。

4. 层叠和压缩将浸渍好的纤维层叠起来并进行压缩，以使树脂浸润在纤维之间，形成复合材料。

二、复合材料成型数值模拟的概述数值模拟是一种通过计算机模拟实际过程的方法，可以在虚拟环境中预测实际过程的结果。

数值模拟可以显著缩短调试时间和成本，减少实验次数和避免安全事故的发生。

复合材料成型数值模拟的基础是复合材料的力学行为和传热学理论。

主要包括有限元分析、流体力学分析、热传分析和材料模拟等方法。

可采用数值模拟技术模拟复合材料的成型过程及其过程参数和材料物性对成型过程的影响。

数值模拟可以分为几个步骤：模型的建立、边界条件的确定、求解方案的选择、数值计算和结果的分析等。

模型的建立是数值模拟的基础，复合材料成型过程的模型建立对数值模拟的精度有很大的影响。

应该综合考虑成型过程的物理和化学特性，设计实用、精确、高效、可靠的数值模拟模型。

螺栓连接复合材料层合板力学建模及失效分析碳纤维复合材料因其强度高、可设计性强等一系列优点在各个领域得到广泛应用。

在实际的工程应用中,考虑到螺栓连接构件的可拆卸性和替换性,因此对于螺栓连接工况下复合材料力学性能的分析成为众多学者的研究对象。

针对螺栓连接工况的复合材料层合板,本课题对其螺栓孔周围的应力分布和层合板失效进行了研究。

1.应力分析过程中考虑到复合材料孔边应力集中现象,基于阿鲁科教授提出的用于计算螺栓连接层合板孔边应力的复合函数,在弹性范围内对复合材料层合板进行了孔边应力计算;其后在有限元ABAQUS环境中,基于蔡-吴准则用于判定复合材料的初始失效,获得单钉双剪工况层合板初始失效前的应力分布状态,将有限元应力计算结果与解析算法应力值进行比较,两种算法的计算结果具有一致性。

应力值用于分析孔边距对孔边应力分布的影响,通过对孔边的应力分析预测复合材料层合板初始失效位置。

2.复合材料的渐进失效分析过程在有限元环境中进行,结合Helius:PFA对复合材料基于MCT失效准则的判定,获得不同孔边距层合板从初始状态到最终失效的演化过程。

针对不同组分对载荷敏感度的不同,提出一种分区域失效敏感分析方法,在孔边载荷高敏感区域中对不同组分失效程度进行计算,结合应力集中因子分析不同区域中组分失效敏感度,并与层合板整体失效程度进行比较,获得层合板在失效过程中的扩散方向。

其后通过对有限元软件ABAQUS进行不同非线性特征集配置,实现对复合材料组分失效程度更加细致的划分,获得螺栓连接中组分失效程度与层合板健康度的函数关系,并通过曲线将结果可视化。

试验研究|第36卷第12期大型复合材料压力容器多排螺接结构失效预测云新尧1梁朝虎1宋伟科1陈亮2（1.中国特种设备检测研究院北京100029）（2.航天材料及工艺研究所北京100076）扌商要：针对复合材料压力容器在多排螺接位置承受面外集中载荷时的失效风险，对典型多排螺接复合材料压力容器在吊装工况下的失效模式进行了仿真预测及试验验证，同时比较了Tsai-Wu准则和Hashin准则针对多排螺接孔孔边铺层失效预测结果的差别。

结果表明，多排螺接孔孔边-45°铺层将首先出现基体开裂破坏，且Hashin准则相比Tsai-Wu准则的孔边失效预测精度更高，具有工程参考价值。

关键词：复合材料多排螺接面外承载孔边挤压失效模式Failure Prediction of Large Scale Multi-bolted Composite Pressure VesselYun Xinyao1Liang Chaohu1Song Weike1Chen Liang2(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing100029)(2.Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology Beijing100076)Abstract Dealing with the failure risk at multi-bolted position of a composite pressure vessel under out-plane concentrated loading,the failure mode of a typical multi-bolted composite pressure vessel under lifting load was numerically predicted and experimentally validated.Additionally,intralaminar failure of multi-bolted hole edges were compared between Tsai-Wu criterion and Hashin criterion.It shows that the multi-bolted hole edges initiate with matrix tensile failure at ply angle of-45°.Moreover,Hashin criterion yields higher failure prediction accuracy than Tsai-Wu criterion.This study could be adopted as an engineering method.Keywords Composites Multi-bolted Out-plane loading Hole extrusion Failure mode中图分类号：X924文章编号：1673-257X（2020）12-0063-07文献标识码：BDOI：10.3969/j.issn.l673-257X.2020.12.013相比传统金属压力容器需要多次焊接成型，复合材料压力容器可实现一次性缠绕成型，能够提高结构整体性、减少焊接缺陷；与此同时，复合材料比刚度、比强度较金属材料高，能够实现结构的轻量化设计。

复合材料螺栓连接结构数值模拟研究佘凯;许建;黄国兵;杨宇华【摘要】在实际工程中,复合材料结构连接方式常采用机械连接形式(螺栓或铆钉)来连结复合材料构件和金属构件,而其中尤以螺栓连接更为常见.如何运用有限元软件模拟螺栓连接结构是仿真计算的关键.本文采用ANSYS软件,建立了复合材料螺栓连接结构的三维有限元模型,采用不同的边界处理方法对该结构进行数值模拟,得到复合材料螺栓孔处的载荷,并将数值计算结果与试验数据比较,探求出了该结构螺栓孔处载荷数值模拟方法.采用接触+耦合的边界处理方式不仅能较准确的模拟复合材料螺栓连接结构,而且计算时间远小于完全采用接触时的计算时间,大大提高了工作效率.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2008(003)006【总页数】5页(P41-44,65)【关键词】复合材料;螺栓连接;接触;耦合【作者】佘凯;许建;黄国兵;杨宇华【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064【正文语种】中文【中图分类】U664.21 引言复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，其具有重量轻、比强度高、抗疲劳性能强、耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车、造船等各个领域得到日益广泛的应用[1]。

船舶是复合材料应用中的一个重要方面，经多年的开发使用，应用部位已从次承力构件发展到主承力构件，逐步成为一种重要的船用材料。

复合材料与金属构件常采用螺栓连接，由于复合材料挤压强度较低，结构在承受较大载荷时，连接部位螺孔处的复合材料会发生挤压破坏，是该结构的主要破坏模式。

复合材料结构的连接在传递载荷、连接件的形态和边界条件等方面都比较复杂，用解析方法求解是难以胜任的，需要采用数值方法特别是可用有限元法来求解。

复合材料螺栓连接是一个三维问题，国外已经采用多种有限元软件对其进行了数值模拟。