基于+ANSYS的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真

第27卷第6期 2006年11月 航空学报 ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICA V01．27No．6 Nov．2006 文章编号：1000一6893(2006)06—108804 基于ANSYS的复合材料层合板单钉连接件 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 化结构仿真 张爽1，王栋1，郦正能1，寇长河1，章怡宁2 (1．北京航空航天大学飞机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究所，北京100083) (2．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳 110035) ParameterizedSimulationforCompositeLaminateswithSingle Mech粕ica¨yFast即edJointBased伽ANSYS ZHANGShuan91，WANGDon91，LIZheng—nen91，KOUChang—hel，ZHANGYi～nin92 (1．AircraftDesignandResearchInstitute，Be巧ingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Be巧ing100083，China) (2．ShenyangAircraftDesignandResearchInstitute，Shenyang110035，China) 摘要：应用ANSYS参数化设计语言(APDL)开发复合材料层合板机械连接结构的ANSYS分析模块，实 现有限元分析前处理过程的参数化建模和后处理过程的累积损伤可视化仿真。建立三维累积损伤有限元 模型，采用ANsYs中柔体对柔体的面面接触单元对螺栓表面和复合材料层合板孑L壁间的接触行为进行 模拟。进行的T300帘子布／QY8911双马来酰亚胺树脂层合板单钉单搭螺栓挤压强度试验验证此分析模 块的有效性，对不同几何参数、不同铺层类型的复合材料层合板机械连接结构的承载性能进行可视化仿真 模拟。 关键词：结构仿真；复合材料层合板；机械连接；累积损伤；接触模型 中图分类号：V229+．7文献标识码：A Abstract：AparameterizedsimuIationprogramisdevelopedtopredicttheresponseofcompositeIaminateswith sin91eboltstructure．Thethree—dimensionalnon—linearprogressivedamagemodelisdevelopedontheplatform ofANSYSusingAPDL．Parameterizedmodelingandprogressivedamagesimulationcouldbeachievedinthis analysis．Theanalysistakesintoaccountthecontactatbolt—h01einterface．Theeffectsofstackingsequences andgeometricalparametersonthebearingstfengtbaredeterminedexperimentally．Fora11theanalysesper— formed，thedamageprogressionofsingleboltedjointispredicted． Keywords：structuresimulation；compositelaminates；mechanicallyjoints；progressivedamage；contactmodel 本文应用ANSYs参数化设计语言(APDL) 开发了复合材料层合板机械连接结构的ANsYs 仿真设计模块，采用三维有限元累积损伤模型，考 虑接触非线性的影响，实现了有限元分析前处理 过程的参数化建模和后处理过程的累积损伤可视 化仿真。并由T300帘子布／QY8911双马来酰亚 胺树脂层合板单钉连接挤压性能试验验证了该模 块的有效性，对比讨论了不同几何尺寸、不同铺层 类型的复合材料层合板机械连接结构的累积损伤 过程。 1参数化结构仿真设计 (1)仿真模块开发概况通过参数化变量方 式建立有限元分析模型，用建立智能化分析的手 段为用户提供自动完成有限元分析的过程，使用 户实际上对复合材料层合板单钉连接结构设计和 收稿日期：2005一0526：修订日期：200511—30 基金项目：凡舟基金(20030503)资助课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 分析的各项属性拥有了控制权，如模型的几何尺 寸、材料的性能参数、施加载荷过程和划分网格的 密度。扩展后的ANSYS具有更高级的运算力， 使设计修改和设计优化都变得更为简便。用户通 过此部分操作即可完成有限元分析的前后处理分 析过程。 采用本文开发的模块进行复合材料层合板机 械连接性能分析的主要过程如下，模块 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如 图1所示。 ①输入层合板几何参数，建立复合材料层合 板单钉连接结构三维有限元模型； ②采用网格密度控制技术对整个结构划分 密度渐变的六面体网格； ③定义材料性能参数，选择复合材料单元损 伤准则和材料性能衰减准则； ④创建螺栓表面和层合板孔壁间的表面对 表面接触单元，选择接触算法，定义接触类型、摩 擦类型，设置主要参数，如接触刚度和最小穿透 值； 万方数据 第6期 张 爽等：基于ANsYs的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真 图1 ANsYs复合材料层合板单钉连接件挤压破坏累积损 伤模型 Fig．1Flowchartofprogressivedamagemodelforcomposite singleboltedjointbasedonANSYS ⑤进行非线性求解控制、载荷控制和输出控 制，施加边界条件和初始载荷； ⑥进行应力分析，判断各单元是否发生损 伤，若是则进行材料性能衰减，若否则继续加载进 行应力分析，重复上一步骤。 (2)参数化建模的图形用户操作界面开发 的参数化结构仿真设计模块主要通过图形用户界 面(GUIs)工作，前处理过程实现参数化建模，用 户在输入层合板几何尺寸后，程序自动将层合板 从孔边到板边缘定义为3个区域，从内到外网格 由密到疏，使分析更加有效和快捷。修改后的 ANSYSMainMenu如图2所示。整个分析过程 用户可以通过修改相应参数对接触状态非线性和 累积损伤过程非线性进行干预。复合材料层合板 使用SOLID46三维八结点分层体单元，此单元每 个结点有3个自由度，分层定义铺层厚度，铺层角 度和铺层材料；螺栓使用SOLID45三维八结点体 单元。由于结构具有对称性，只取1／4结构进行建 模。复合材料层合板网格划分情况如图3所示。 图2修改后的ANsYsMainMenu界面 Fig．2InterfaceofmodifiedANSYSMainMenu 图3复合材料层合板网格划分图 Fig．3Meshofcompositesin91eboltedjoint (3)接触算法为合理模拟接触行为，并为 在仿真设计中引入累积损伤过程的非线性影响， 采用ANSYS中柔体对柔体的表面对表面接触单 元：TARGETl70三维八结点四边形单元和 CONTACTl74三维八结点高次四边形单元，使 用“目标面”和“接触面”的概念来形成接触对。这 种单元支持具有大滑动和摩擦的大变形，且易于 进行接触压力和摩擦应力的后处理的优点。同 时，采用ANSYS提供的扩展拉格朗日乘子法处 理接触问题。程序按照罚函数法开始，与纯粹拉 格朗日乘子法类似，用最大穿透范围值(FTOLN) 来控制最大允许穿透值。如果迭代中发现穿透大 于FTOLN值，则将各个接触单元的接触刚度 (FKN)加上接触力乘以拉格朗日乘子的数值。 因此，这种扩展拉格朗日法是不停更新接触刚度 的罚函数法，这种更新不断重复，直到计算的穿透 值小于允许值为止。 (4)材料失效准则和材料性能衰减准则采 用Hashin准则[11判断复合材料层合板在承受挤 压载荷作用时，出现的基体开裂损伤，纤维断裂损 万方数据 航空学报 第27卷 伤和纤维、基体间的剪切损伤。同时采用Caman— ho和Matthews提出的材料性能衰减准则[21进行 分析，如表l所示。由于侧向的拧紧力作用，分层 损伤受到一定程度的抑制，本文只对上述5种基 本的损伤模式进行分析。 表l 复合材料单元损伤准则和材料性能衰减准则 Table1 COmpositeelementfailure¨l惦andde汀adatioⅡ rul器 表中各式中下角标代表各单层的主方向：z， y，z为某一铺层的局部坐标系；z为纤维的方向；y 为垂直于纤维的方向；z为垂直于并指向铺层面 外的方向。 2三维累积损伤模型验证 选用T300／QY8911单钉单搭螺栓连接结构 进行验证试验，试验在MTS880一50KN疲劳试验 机上完成，试验夹具为单搭接，夹具为厚 18mm的钢板，试验连接件采用30CrMnSiA标 准受拉六角螺钉，M6拧紧力矩为6N·m，M8拧 紧力矩为12N·m。选用M6和M8两种典型的 螺栓连接件，M6试件主要几何参数为：板 长84mm，板宽30mm，板厚2．5mm，自由端距 24mm；M8试件主要几何参数为：板长100mm， 板宽40mm，板厚2．5mm，自由端距32mm。 对[45／0／一45／90／45／O／一45／90／45／一45]s铺层 的M6和M8试件计算所得的载荷一位移曲线如 图4所示，计算所得的初始挤压破坏强度值与试 验值的对比情况如表2所示。由于未考虑拧紧力 作用，挤压强度的计算值比试验值稍小，属合理情 况。计算与试验所得的P_艿曲线线性段斜率和非 线性拐点吻合较好，预测的初始挤压破坏强度值 误差控制在5％左右。表明本文开发的三维累积 损伤模型能够较好的预测复合材料层合板单钉连 接结构的挤压破坏性能。 图4单钉连接挤压强度试验结果 Fig．4Experimentalresultsofbearingstrengthofcomposite singleboltedjoint 表2单钉连接结构初始挤压破坏强度值 Table2 InitiaIbearingstrengthofcompositesingleboIted joint 3累积损伤过程可视化仿真模拟 在复合材料层合板机械连接结构中，挤压破坏 是一种局部破坏，在设计中属合理情况。在层合板 几何参数满足挤压破坏要求的情况下，铺层类型是 影响其机械连接性能的重要因素。本文选择表3 中所列的2种铺层，对M6试件进行了累积损伤过 程的可视化仿真模拟，对比情况如图5所示，图中 不同颜色代表着发生不同损伤类型的单元，检查各 个载荷步下发生各类型损伤的单元可对复合材料 层合板机械连接结构的设计起指导作用。 表3试件铺层表 Table3 Stacking∞q耻noesOfspecimens 铺层编号 铺层顺序 o。：±45。：90。铺层比例 A，B2种铺层试件均首先出现基体拉伸损 伤；与前者相比，后者较早出现纤维、基体剪切损 伤以及基体压缩损伤；继续加载后，纤维拉伸损伤 也较早出现，随后2种铺层试件均出现一定程度 的纤维压缩损伤。在累积损伤过程中，虽然后者 的基体拉伸损伤、基体压缩损伤扩展速度较前者 万方数据 第6期 张 爽等：基于ANsYs的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真 图5 M6试件两种铺层累积损伤过程可视化仿真结果对比 Fig．5SimulationofprogressivedamagefordifferentstackingsequencesofM6specimens 稍显缓慢，但由于其纤维、基体剪切损伤和纤维拉 伸损伤以及纤维压缩损伤的扩展速度都较前者迅 速，对层合板的挤压性能起着主导作用，使得B 类铺层试件挤压性能较差。图6为2种铺层试件 P一艿曲线对比情况，在曲线上B类铺层试件较早 出现非线性拐点，且之后承载能力下降更为迅速。 仿真设计结果表明±45。层有利于抗挤压破坏，随 着±45。层含量下降，初始破坏载荷值降低，与试 验结果相符。 藿 图6不I司铺层类型单钉连接结构仿真设计结果 Fig．6Simulationresultsofcompositelaminateswithdiffer— entstackingsequences 4 结 论 研究结果表明基体损伤较早出现，但对层合 板挤压性能并不起主导作用，随后引发纤维、基体 剪切损伤扩展并导致纤维损伤大范围出现，使层 合板承载能力显著下降，使层合板最终破坏。仿 真设计结果表明±45。层所占比例对层合板的挤 压性能具有重要的影响，在相同几何尺寸下，铺层 类型设计尤为关键。采用参数化建模的前处理技 术和可视化累积损伤过程的后处理技术，具有一 定的工程推广意义。另外，该仿真模块的开发思 路还可用于分析其他材料性能随载荷或计算结果 而发生变化的结构，随着分析目的的不同，还可将 其做进一步的扩展。 参 考 文 献 [1]HashinZ． FailurecriteriaforunidirectionalfibrecomD矿 sites[J]．Journal。fAppliedMechanics，1980，47：329— 334． [2]camanhoPP，MatthewsFL．Aprogressivedamagemodel formechanicallyfastenedjointsincompositeslaminates [J]．JournalofcompositeMaterials，1999，33：2248— 2280． 作者简介： 张爽(1958一)女，北京航空航天大学航空科学与工程学院 飞机设计专业博士研究生，主要研究方向：复合材料飞机结构设 计。 王栋(1980一)男，2003年毕业于北京航空航天大学飞行器 设计与应用力学系，现于该校航空科学与工程学院飞机设计专业 攻读硕士研究生，主要研究方向：复合材料结构设计。 郦正能(1935一)女，教授，博士生导师。 寇长河(1939一)男，高级工程师。 章怡宁(1938一)男，中国航空工业第一集团公司第601研究 所副总设计师，研究员。 (责任编辑：李铁柏) 万方数据 基于 ANSYS的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真 作者： 张爽， 王栋， 郦正能， 寇长河， 章怡宁， ZHANG Shuang， WANG Dong， LI Zheng- neng， KOU Chang-he， ZHANG Yi-ning 作者单位： 张爽,王栋,郦正能,寇长河,ZHANG Shuang,WANG Dong,LI Zheng-neng,KOU Chang-he(北京航 空航天大学,飞机设计研究所,北京,100083)， 章怡宁,ZHANG Yi-ning(沈阳飞机设计研究所 ,辽宁,沈阳,110035) 刊名： 航空学报 英文刊名： ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年，卷(期)： 2006,27(6) 被引用次数： 4次 参考文献(2条) 1.Hashin Z Failure criteria for unidirectional fibre composites 1980 2.Camanho P P;Matthews F L A progressive damage model for mechanically fastened joints in composites laminates[外文期刊] 1999(24) 本文读者也读过(4条) 1. 张桂江.孙秦.ZHANG Gui-jiang.SUN Qin ANSYS在复合材料结构仿真与设计中的应用[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-陕西理工学院 学报（自然科学版）2005,21(3) 2. 王富生.岳珠峰.张红运 基于三维模型的复合材料层合板单钉螺栓连接件力学性能分析[期刊论文]-航空制造技 术2010(4) 3. 宋恩鹏.吴德锋.洪海铭 复合材料多钉连接强度研究[会议论文]-2004 4. 崔海涛.温卫东 复合材料层合板单排多钉双剪联接接头强度分析[期刊论文]-航空动力学报2002,17(5) 引证文献(4条) 1.刘华峰.岳珠峰 复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构损伤的有限元分析[期刊论文]-机械设计 2007(12) 2.程小全.杨琨.汪源龙.许亚洪 平面编织混杂铺层层合板单钉连接拉伸性能[期刊论文]-力学学报 2010(5) 3.吴晓金.王家序.肖科.朱娟娟 水润滑轴承的动态特性研究[期刊论文]-润滑与密封 2008(2) 4.张永杰.孙秦 层合板预紧螺栓搭接孔边应力分析[期刊论文]-应用力学学报 2009(2) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hkxb200606019.aspx