Abaqus复合材料螺栓连接失效模拟

我们将展示一个通过螺栓的复合材料板的失效分析。该接头由两个碳纤维增强复合材料（CFRP）制成的平板组成，两个板具有相同的铺层（对称），采用连续壳单元建模。设置Hashine损伤初始化准则和基于断裂能量的损伤演化，考虑了Ply失效。

有限元模型

1.几何在此模型中，共有三个零件组成，两个CFRP 板和一个钢制螺栓。如图 1 所示。该板的尺寸为 150x25x3.8 mm（长度 x 宽 x 厚），M14 螺栓作为一个部件建模，比孔直径小 0.5mm。

图1 几何模型

2. 材料模型

螺栓材料为通用钢，具有以下线性弹性材料特性：

-杨的模组：210e3 MPa

-泊松的比例：0.3

-密度：7850e-12 t/mm3

CFRP 板由多个单向（UD）层组成，有不同的铺层角度。CFRP 材料的材料参数如下图 2 所示

图 2 复合板材料参数

损伤模型

为了在 Abaqus 模拟CFRP 复合板的损伤和失效，需要考虑两个方面：损伤初始化准则和损伤演化准则，有了这两者才能完全模拟材料的损伤和断裂。Abaqus自带的Hashine失效准则是比较成熟且应用很多的一个复合材料失效模型，但该模型不能用于实体单元，这里我们使用连续壳单元模拟复合材料板，结合Hashine失效准则来模拟CFRP板的失效和破坏。需要定义损伤初始化准则包含以下基本参数：

纤维拉伸破坏强度（Xt）
纤维压缩破坏强度;（Xc）
强度（Yt）
基体横向压缩和剪切强度（Yc）

其中 X 和 Y 分别指纤维和基体。这四个强度值，在图 2 中相应的材质选项卡中作为输入提供。

注意：在 Hashin 材料窗口中，压缩强度输入不需要"-"符号。

Hashin 失效准则可用于平面应力元素，这意味着该准则可用于平面应力、壳体、连续壳体和膜元件。因此，连续 3D 实体单元不能与 Hashin 准则一起使用。如果沿复合材料厚度的法向应力至关重要（压力容器中的情况就是这样），则应使用 3D 实体单元以及LaRC05 损伤准则。

对于损伤演化准则，这里采用基于能量的损伤演化准则。该模型的公式确保在损伤演化过程中消耗的能量等于每个方向的断裂能量（Gf）。

3. 堆叠序列（LSS）定义

由于我们需要考虑不同铺层的破坏情况，因此建立的是介观模型，这就需要定义不同的铺层次序，通过composite layup定义。如图3所示，复合板采用对称8层堆叠而成，堆叠次序为[45/0/-45/90]x2.层压板的上部的纤维与参考方向（由"Ref1"蓝色轴表示）具有 45 度角（由"1"青色轴指示）。厚度方向由红色轴（轴 3）标识，LSS 堆叠方向由白色"S"轴（轴 3 和 S 应平行）指示。

图3 复合材料板铺层次序

4 . 网格

首先，请记住，这里我们用的是连续壳单元SC8R（一阶减缩积分连续壳单元），虽然建模是能看到厚度，但内部计算还是平面应力计算公式。

5. 相互作用，载荷与边界

在接触相互作用方面，摩擦接触（μ=0.1）用于螺栓对板和板对板的接触。而板与板之间的接触，由于螺栓预紧力的存在，给定较大的摩擦系（μ=0.3）。上板的一端固定约束，在第一个分析步中，施加螺栓预紧载荷（100 N），将板面夹在一起。第二个分析步中，先固定螺栓长度，再在板另一端施加强制位移，如图4所示。