Abaqus在复合材料螺栓接头失效分析中的应用

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：

• 拉伸时纤维断裂(Xt)
• 压缩时纤维屈曲和扭结(Xc)
• 横向拉伸和剪切作用下的基体开裂(Yt)
• 横向压缩和剪切作用下的基体破碎(Yc)
• 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。
• 不能得到层间剪切应力输出(CTSHR13,CTSHR23)于场输出。只有通过历史输出绘制层间剪切应力，方法是沿着厚度创建一条路径并要求输出结果。通过使用堆叠连续壳层方法，每个层的剪应力作为场输出很容易得到可视化。
• 层间剪切应力输出对复合材料的破坏至关重要，但由于我们在厚度上使用的单元较少(当然，我们可以通过网格播种来改变这一点)，因此计算结果不太准确。一般认为，连续介质壳比传统壳以及三维连续壳能够更好地捕捉层间应力。
• 需要确保材料标签中的1、2、3方向与连续体壳元素方向正确对齐，这些单元是“盲目”，需要明确定义厚度方向。
• 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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