复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷下损伤特性分析_张幻实.pdf

复合材料科学与工程DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.013复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷下损伤特性分析张幻实，张发，高丽敏，贾银磊(中国商飞北京民用飞机技术研究中心 民用飞机结构与复合材料北京市重点实验室，北京102211)摘要:复合材料填充钉孔层压板常用于机械连接设计中，考虑了开孔处的螺栓约束和层压板钉孔周边区域挤压变形的旁路失效问题，主要用于飞机复合材料结构的强度许用值设计，在航空航天等领域受到日益广泛的应用。为比较依据不同失效准则开展的复合材料带填充钉孔层压板拉伸损伤扩展失效特性，利用 ABAQUS 有限元软件，建立了二维和三维有限元模型，建模中考虑了材料非线性行为和失效判断等基本问题，基于 Hashin 准则和 LaC05 准则对相应铺层顺序的含填充钉孔复合材料层压板进行了静态拉伸数值模拟，根据 ASTM D6742 进行了填充钉孔层压板单轴拉伸试验，将数值模拟结果与试验结果进行对比，数值模拟结果较好地模拟了含填充钉孔复合材料层压板的拉伸渐进失效模式，具有良好的工程应用意义。关键词:复合材料层压板;扩展有限元法;LaC05 准则;Hashin 准则;拉伸破坏;损伤特性中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03008906Damage characteristics analysis of composite laminates with filled nail holes under tensile loadZHANG Huanshi，ZHANG Fa，GAO Limin，JIA Yinlei(Beijing Key Laboratory of Commercial Aircraft Structures and Composite Materials，COMAC Beijing Aircraft Technology esearch Institute，Beijing 102211，China)Abstract:Composite laminates filled with pin holes are often used in mechanical connection design Consideringthe bolt constraint at the opening and the bypass failure of extrusion deformation in the area around the pin hole ofthe laminate，they are mainly used for the design of strength allowable values of aircraft composite structures，andare increasingly widely used in aerospace and other fields In order to compare the tensile damage propagation failurecharacteristics of composite laminates with filled pin holes based on different failure criteria，twodimensional andthreedimensional finite element models were established using ABAQUS finite element software The nonlinear be-havior of materials and failure judgment were considered in the modeling Based on Hashin criterion and LaC05criterion，the static tensile numerical simulation of composite laminates with filled pin holes in the correspondingstacking sequence was carried out According to ASTM D6742，uniaxial tensile test of composite laminates withfilled pin holes was carried out The numerical simulation results were compared with the test results The numericalsimulation results simulated the tensile progressive failure mode of composite laminates with filled pin holes，whichhas good engineering application significanceKey words:composite laminates;extended finite element method;LaC05 criterion;Hashin criterion;tensilefailure;damage characteristics收稿日期:20220907作者简介:张幻实(1992)，男，硕士，工程师，主要从事飞行器结构强度设计分析等方面的研究。复合材料填充钉孔层压板结构是由正交各向异性的单向层压板铺叠而成的，考虑了开孔处的螺栓约束和层压板钉孔周边区域挤压变形的旁路失效问题，主要用于飞机复合材料结构强度许用值设计。Petit 等1 采用经典层压板理论计算了复合材料层压板内部的应力分布。Chang 等2、Tan 等3 研究了复合材料含孔层压板在拉伸载荷作用下的材料刚度参数退化问题。Tolson 等4 和 eddy 等5 建立了三维复合材料层压板有限元模型，预测了无损伤复合材料层压板的静强度。Chen 等6 建立了含开孔的三维复合材料层压板有限元模型，进行了渐进损伤数值模拟。卢子兴等7、张超等8 采用累积失982023 年第 3 期复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷下损伤特性分析效分析方法，预测了编织复合材料在拉伸载荷作用下的失效强度。对于复合材料开孔结构的失效预测，Chang 等9 预测了复合材料开孔层压板在拉伸载荷下的破坏模式，首先提出了复合材料含缺口层压板的逐渐损伤模型。姚辽军等10 研究了复合材料开孔层压板孔周边区域的应变集中系数随开孔尺寸大小的变化规律。Zhang 等11 提出了一种同时考虑纤维扭转和剪切非线性的三维渐进损伤模型，并研究了复合材料层压板在静态拉伸试验中的损伤机制。Ma 等12 扩展了一种应用于复杂复合材料层压板损伤演化的数值模拟方法，对大开孔复合材料层压板的断裂问题进行了失效预测。Liu 等13 研究了固定开孔机织物增强热塑性复合材料层压板的损伤机制。Fan 等14 提出了一种基于 PNN 的方法来预测复合材料层压板的抗拉强度。Wang 等15 提出了一种考虑湿热效应的渐进损伤模型，对应力分析模型、失效准则和材料性能退化模型进行了修改和扩展。综合国内外研究现状，目前运用 LaC05 准则开展的复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷下损伤特性相关研究较少，对基于不同失效准则的层压板损伤特性的对比尚不充分，本文通过试验和数值模拟的方法对复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷作用下的损伤特性进行了研究分析，对 Hashin 准则和LaC05 准则的数值模拟结果进行了对比，比较了两种失效准则下带填充钉孔层压板的损伤形态、传力路径和载荷随应变增长趋势的不同，引入了 XFEM理论对基于 LaC05 准则的三维层压板有限元模型裂纹扩展渐进损伤失效进行研究，并根据 ASTM D6742进行了复合材料带填充钉孔层压板单轴静态拉伸试验，对数值模拟结果进行了验证，对复合材料带填充钉孔层压板的裂纹损伤扩展形态和失效过程进行了研究，具有一定的创新性。1试验过程与方法1.1试验件几何尺寸与材料参数复合材料层压板填充钉孔单轴静态拉伸试验依据 ASTM D6742 进行，电液伺服液压式万能试验机型号为 WAW600B，试验机最大加载载荷为 100 kN，加载速率为 2.0 mm/min。紧固件安装于层压板试件的孔中，对带有中心孔的对称均衡层压板进行单轴拉伸试验，复合材料层压板材料为 T800。试验件按照 ASTM D5766 制备，层压板铺层顺序为 45/45/0/903S，将两组共计 14 件试验件分别进行编号，试件长度 L=304.80 mm，宽度 W=31.75mm，厚度 T=4.60 mm。填充紧固件为钛合金高锁螺栓，名义直径为 6.35 mm。所有试件在标准试验室大气环境(233)和(5010)%相对湿度 中储存和试验，试验件尺寸如图 1 所示。图 1试验件尺寸图Fig.1Dimension diagram of specimen将试验件放置在电液伺服液压式万能试验机夹具中，静态拉伸载荷施加于填充钉孔层压板试验件的两端，位移加载的速率为 2 mm/min。为了分析试件在拉伸过程中的损伤失效形态，记录工作段的应变随载荷变化历程，在每个带填充钉孔层压板试验件的长度和宽度方向分别粘贴应变片。1.2试验结果与讨论试验件最终的拉伸破坏状态如图 2 所示，试验件在损伤扩展阶段，损伤区域裂纹呈 45向边界两侧扩展，最终在两侧边界处发生断裂。在试验过程中，裂纹沿填充钉孔边缘处扩展时伴有局部塑性屈服，超出数值模拟的线弹性范围。图 2试验件拉伸破坏状态Fig.2Tensile failure states of the specimens092023 年 3 月复合材料科学与工程2有限元模型2.1基于 Hashin 准则的二维有限元模型基于 Hashin 失效准则，首先建立了铺层为 45/45/0/903S的复合材料带填充钉孔层压板二维有限元模型，基于有限元软件 ABAQUS 2021，模拟了层压板的静态拉伸过程。填充钉孔紧固件采用 8 节点六面体减缩积分单元，层压板赋予壳单元属性，网格大部分采用四边形单元。紧固件与层压板之间为金属与复合材料之间的面面接触，摩擦系数设为 0.1。固定层压板左端，在右端施加拉伸载荷。带填充钉孔层压板容易在孔周边区域形成应力集中，应力集中使孔周边区域的单元受力状态较为复杂，容易出现变形过大或过度扭曲现象，使数值模拟分析过程不易收敛。因此有限元模型对孔周边区域进行了网格细化，避免网格过度扭曲，保证分析精度，使用非线性方法进行求解，有限元模型如图 3 所示。图 3有限元模型Fig.3Finite element model层压板长度 L=304.8 mm，宽度 W=31.75 mm，厚度 T=4597 4 mm。铺层共计 24 层，铺层顺序为 45/45/0/903S，单层厚度 t=0.19 mm，填充钉孔紧固件直径 d=6.35 mm，层压板孔直径 D=6.35mm，W/D=5。填充钉孔紧固件材质为 2024 铝合金，弹性模量为73 088 MPa，泊松比为 0.33。层压板采用Hashin 失效准则的二维Lamina 层压板材料属性，层压板的材料参数如表 1 和表 2 所示。表 1二维层压板材料弹性性能参数Table 1Elastic properties parameters oftwodimensional laminates materials弹性模量E1/MPa弹性模量E2/MPa泊松比Nu12剪切模量G12/MPa剪切模量G13/MPa剪切模量G23/MPa171 0009 0000324 1404 1403 046表 2二维层压板材料失效性能参数Table 2Failure performance parameters oftwodimensional laminates