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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)械連接接頭的破壞模式主要有被連接件的擠壓破壞、拉伸破壞、剪切破壞和劈裂破壞以及緊固件的剪切破壞等。其中拉伸和剪切破壞會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突然失效，而擠壓破壞是一個(gè)逐漸損傷過程，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體承載能力的衰減。因此，擠壓破壞常常被認(rèn)為是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中螺栓連接接頭的主要破壞形式。
另外，針對(duì)端部約束的復(fù)合材料連接接頭三維問題，目前國外已經(jīng)對(duì)此開展了很多有益的研究和探索。Grutta等采用ABAQUS軟件對(duì)彎矩作用下的層合板螺栓連接接頭進(jìn)行了強(qiáng)度分析。Calllari等采用三維有限元模型，利用ABAQUS軟件對(duì)層合板螺栓連接接頭的損傷進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，接頭的夾緊力以及墊片與層合板之間的摩擦力對(duì)損傷的產(chǎn)生及增長有很大的影響。在SAMCEF程序中引入三維有限元分析模型，對(duì)含中心孔的復(fù)合材料層合板的損傷破壞進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，有限元網(wǎng)格對(duì)損傷預(yù)測的影響較小，而基于連續(xù)損傷力學(xué)的三維有限元模型可以較好地預(yù)測橫向基體開裂破壞模式的累積損傷。Lin等采用MARC有限元分析軟件，對(duì)單剪連接的層合板接頭強(qiáng)度進(jìn)行了分析，分析中考慮的多孔對(duì)接頭的影響。Liu等則針對(duì)含孔的厚層合板結(jié)構(gòu)的單釘連接接頭進(jìn)行了分析，給出了區(qū)別釘彎曲和擠壓兩種損傷情況的參數(shù)，即層合板的厚度與孔直徑之比的平方。Gong等采用三維有限元分析技術(shù)，在TsaiWu準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，對(duì)扭矩作用下的含缺口的層合板的初始損傷進(jìn)行了預(yù)測分析。國內(nèi)在有關(guān)三維問題方面的研究成果則較少。本研究針對(duì)T300/KH304復(fù)合材料層合板的單釘雙剪連接形式，分析了接頭的連接強(qiáng)度，并采用arnada-Sun準(zhǔn)則預(yù)測了該層合板結(jié)構(gòu)雙剪連接接頭的破壞載荷。
T300/KH304復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)如圖所示。e表示端距，d為板的孔徑，w為板的寬度。從主鋪層開始的輔助鋪層中，每兩層輔助鋪層的長度減少5直至最外面的兩層，即45。層為層合板的外表面。輔助鋪層共12層，有6個(gè)階梯。其中，孔的直徑為6.3，蓋板和螺栓的材料為30Cr1VInSiA鋼。在雙剪連接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析中，采用有限元數(shù)值解技術(shù)分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在有限元分析中，采用整體建模方法，對(duì)復(fù)合材料板采用八節(jié)點(diǎn)三維層狀結(jié)構(gòu)體單元，對(duì)金屬蓋板和螺栓采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。對(duì)單釘連接接頭結(jié)構(gòu)劃分的最終網(wǎng)格如圖所示，其中復(fù)合材料板共劃分為2032個(gè)單元，3009個(gè)節(jié)點(diǎn)，金屬蓋板和螺栓分別分為1200個(gè)單元、1224個(gè)節(jié)點(diǎn)和2704個(gè)單元、2680個(gè)節(jié)點(diǎn)。選用Yarnada-Sun準(zhǔn)則，幾種尺寸的復(fù)合材料層合板在拉伸載荷作用下的破壞載荷計(jì)算結(jié)果如表所示。從表中可以看出，復(fù)合材料板寬度一定時(shí)，隨著端距的增加，其承載能力逐漸增大，當(dāng)復(fù)合材料板的端距一定時(shí)，其破壞載荷隨著板寬度的增加而增大，即復(fù)合材料板的破壞載荷與板的寬度和端距，按照上述分析方法，對(duì)不同的寬度/孔徑比和端距/孔徑比雙蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果如圖所示。從圖中可以看出，當(dāng)復(fù)合材料板的端距一定時(shí)，破壞載荷隨板寬的增加而增大。當(dāng)w/d>5時(shí)，破壞載荷的變化較小，即在e/d為定值時(shí)，增加板的寬度，對(duì)復(fù)合材料板的承載能力影響不顯著。當(dāng)寬度一定時(shí)，破壞載荷亦隨端距的增加而呈上升趨勢。當(dāng)w/d>3時(shí)，破壞載荷隨端距的變化曲線增加幅度較小，說明當(dāng)板的端距大于3倍的孔徑時(shí)，基本上可以認(rèn)為破壞載荷不再受復(fù)合材料板端距的影響。
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