复合材料径向和轴向螺栓连接失效预测方法及失效模式分析

大型火箭舱段间的复合材料端框连接主要由径向螺栓连接和轴向螺栓连接组成,设计了不同铺层和几何尺寸的连接试验件,并通过试验获得了失效载荷和失效形式。然后,选择了3种渐进损伤方法进行了连接结构的失效预测,并将预测结果与试验结果进行比较,结果表明:采用基于细观力学的复合材料渐进损伤方法,15组径向连接试验件失效载荷计算误差最大为17.3%;4组轴向连接失效载荷计算误差最大7.4%;预测的失效形式与试验结果接近,为连接结构确定了合适的失效预测方法。采用数值分析结果揭示了复合材料单向层的主要失效模式。为复合材料端框连接的设计研究提供了可用的失效预测方法及详细的失效模式分析结果。

基于Hashin失效准则的复合材料螺栓连接损伤破坏研究

介绍了复合材料螺栓连接二维模型的损伤破坏分析方法———Hashin失效准则和刚度降方法。考虑接触关系,剪切非线性和材料刚度降低。针对Hashin失效准则编制相应的损伤程序,然后采用有限元软件ABAQUS对复合材料层合板螺栓连接件强度进行数值计算。研究结果表明,利用损伤子程序可以较好的预测层合板的破坏载荷以及损伤初始发生的铺层及其扩展方向。损伤的发生和扩展只与铺层角有关,而与铺层顺序、铺层的厚度无关。剪切非线性分析更加合理;考虑非线性影响时,失效准则中包括剪切应力项,损伤产生较早。

碳纤维增强复合材料沉头螺栓连接失效分析

为研究T800碳纤维增强复合材料沉头螺栓连接结构在受载情况下损伤的萌生、扩展以及材料失效行为,对螺栓连接结构进行准静态拉伸实验。利用有限元软件ABAQUS建立该结构的三维有限元模型,采用三维Hashin失效准则预测复合材料的失效起始,基于渐进损伤理论提出一种新的材料损伤后刚度逐渐折减方案,并通过编写UMAT用户子程序实现材料本构关系的定义。对碳纤维增强复合材料沉头螺栓连接结构进行数值分析,将数值计算结果与拉伸实验结果进行对比分析,结果表明,此数值分析方法对结构的失效过程预测与实验结果吻合良好。

湿热环境对CFRP复合材料-铝合金螺栓连接结构静力失效的影响

湿热环境对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料-铝合金螺栓连接结构失效的显著影响给整体结构带来了安全隐患。为准确评估湿热环境对混合螺栓连接静力失效的影响,基于复合材料渐进损伤模型及金属韧性断裂准则,建立了考虑湿热效应的复合材料-金属螺栓连接静力失效预测模型。采用该模型预测了CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构在23℃干态、70℃平衡吸湿状态下的静强度和失效模式,与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性。在此基础上,进一步揭示了不同湿热工况对CFRP复合材料-铝合金单钉双剪、多钉双剪连接结构静力拉伸失效的影响规律。结果表明:相比于23℃干态条件,23℃平衡吸湿条件、70℃干态条件和70℃平衡吸湿条件下CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构的失效载荷分别下降了4.5%、7.2%和13.9%;高温是导致湿热环境中CFRP复合材料层板损伤区域增大的主要因素;随着螺栓数目的增加,70℃平衡吸湿状态时连接结构静强度相比于23℃干态的下降幅度逐渐降低。

CFRP复合材料螺栓连接失效载荷不确定性的评估方法

螺栓连接是先进复合材料结构的薄弱环节。因此,螺栓连接力学性能显著的不确定性不仅阻碍了先进复合材料的高效应用,且给整体结构的安全性和可靠性带来威胁。为定量评估碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性,将数值的渐进损伤模型和区间分析方法结合,提出了一种高效、准确的分析方法。采用该方法预测了典型T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性,并与试验结果进行对比。预测结果与试验结果的误差不超过2%,证明本文所提出方法的有效性。采用本文所提方法预测的T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的区间为[19.25 kN, 22.75 kN],与设计期望值的偏差为[-9.8%, 6.6%]。