螺栓接头是由碳纤维增强聚合物材料(CFRP)制成的两个平板组成,两个板具有相同的8层布局(对称),并且使用堆叠的连续壳单元建模。层失效是通过Hashin失效准则作为损伤初始和断裂能量作为损伤演化的建模。
几何
三个Part实例,其中两个为150x25x3.8 mm 的CFRP平板,一个为M14的Steel螺栓。如下图所示,螺栓直径比平板孔直径小0.5mm。
图1 : 复合板(左)和螺栓(右)
材料
钢螺栓:杨氏模量210e3 MPa,泊松比0.3,密度7850e-12 ton/mm3
复合板:由多个与负载方向和板长度方向不同的多个单向(UD)层构成,详细的CFRP复材参数如下图。
图2 : CFRP 材料建模 (弹性属性, Hashin准则初始, 断裂能量演化)
损伤失效建模,对 Abaqus 的 CFRP 复合损伤进行建模,需要综合两个建模方面对材料退化:失效萌生Failure initiation和失效演化failure evolution。依赖于第一层失效标准(first ply failure criteria),针对层失效用户可以评估复合结构为FAIL/PASS。此评估是最保守的评估,其根据第一层失效准则,依赖于纯后处理生成的失效包络,这些标准不允许材料退化或单元删除。
对于本文,将在损伤建模中包括材料退化(断裂能量损伤),损伤初始是基于Hashin层失效准则进行建模, 此准则考虑以下 ply 失效模式:
其中X、Y分别对应于增强和基材,此4个强度值输入图2中的material选项卡,注意Hashin准则材料对话窗,抗压强度不需要“-”符号。
Hashin失效萌生准则适用于平面应力单元,意味着该准则可用于平面应力单元、壳单元、连续壳单元和膜单元。连续三维实体单元不能使用Hashin准则。如果沿复合材料厚度的法向应力是尤为关键(比如压力容器情况),则应使用三维实体连续单元,并结合LaRC05损伤萌生准则(支持三维连续体单元)。
对于损伤演化,建立基于能量的损伤模型。该模型保证了在损伤演化过程中耗散的能量等于每个方向的断裂能(Gf)。
层压叠加序列(LSS)定义
由于对板层(介观尺度)结果感兴趣,需要对CFRP板定义层压叠加序列LSS,此是通过Abaqus属性模块中的Composite Layup截面定义完成,如下图所示。
图3 : 连续壳Composite Layup窗口的叠合层序细节
复合材料铺层Composite Layup显示了铺层顺序的细节,包括铺层的旋转角度(相对于 “Ref1” 参考纤维方向),材料和每个层对应的区域。
网格划分和单元
选用单元类型SC8R,为一阶缩减积分连续壳单元。代替进一步切分几何,沿着厚度使用一个单一的连续壳,并通过复合铺层提供LSS,这将是多层截面方法。
下面图4详细说明了板的连续介质壳的叠加方向。
图4 :单元堆叠方向
图4中,可以看到厚度方向是正确配置,从板的底部(未显示)到板的顶部(棕色)。有了指定的叠加方向,很容易确定厚度方向平行于LSS的“S”轴。
螺栓采用C3D8R单元。如图5所示。
图5 : 螺栓连接板组件的初始网格配置
相互作用、载荷和边界、分析设置
接触摩擦系数 (μ=0.1) 用于定义复合板和螺栓、板对板。边界和载荷如下图,左侧端被完全约束。第1分析步,施加100N的螺栓预紧力;第2分析步,右端约束的参考点,向右施加位移。
图6 :载荷和边界条件定义
分析结果
应力结果
对下板的层间剪切应力结果. 如前所述,如果使用堆叠连续壳方法,则可以通过字段输出直接的可视化结果。如果采用另一种建模策略,可以通过XY数据绘制数据。图7左侧图为第一个-45°层(ply 6)的CTSHR13, CTSHR23场,ply 6纤维方向如图7右侧图所示。
图7 : 下板的第一个-45°层的层间剪切应力
图8显示了复合材料板上von Mises应力的包络图(当单元使用平面应力公式),包络图允许用户直接于兴趣区域可视化最大结果值,而不是扫描每一层结果(当然也可用)。
图8 : von Mises stress包络图
位移/变形结果
图9 : 位移云图、变形和未变形对比
损伤相关结果
为了评估模型的损伤特征(Hashin萌生准则 断裂能量损伤演化),需要定义一定的场输出。对于Hashin,每个不同层的失效都得到一个单独输出。有关输出如下:
-HSNFTCRT
-HSNFCCRT
-HSNMTCRT
-HSNMCCRT
其中,FT、FC、MT、MC分别对应于纤维拉伸、纤维压缩、基材拉伸和基材压缩。
图10 : Hashin准则对拉伸(top-PLY 2)和压缩(bottom-PLY 4) 的纤维损伤
图11:Hashin准则对拉伸(top – PLY 3)和压缩(bottom- PLY 1)的基材损伤
损伤演化要求定义特定的场输出,类似于Hashin,相关的输出字段如下:
-DAMAGEFT
-DAMAGEFC
-DAMAGEMT
-DAMAGEMC
图12 : 损伤演化云图,对拉伸(top-ply 2)和压缩(bottom-ply 4)的纤维损伤
力输出
讨论
在此类层压复合材料中,单个层的失效模式和层间剪切应力对于构件的结构评估至关重要。此外,损伤萌生后,复合材料仍能承受一定的负荷,因此,对复合材料的剩余承载特性进行评估也是十分重要。本文未对分层失效进行建模,可以使用Cohesive Zone Model内聚区模型或虚拟裂纹闭合Virtual Crack Closure技术实现。
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