[发明专利]基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于有限断裂力学模型预测复合材料连接拉伸强度的方法。

背景技术

轻质、高效、低成本复合材料连接结构是汽车和飞机结构设计和制造的关键技术，而碳纤维复合材料的连接则是该技术的一项瓶颈。因此碳纤维复合材料连接结构的设计、分析、制造是碳纤维复合材料的重中之重。碳纤维增强复合材料的连接主要是机械连接和胶接连接，在强度高、载荷大的情况下一般都使用机械连接，而且机械连接也便于拆卸，所以机械连接在复合材料连接中使用十分广泛。由于螺栓连接具有容易装配、拆卸，并且对环境影响不敏感等优势，是机械连接最常用的方式。

传统的分析模型都是基于点应力和平均应力，是指当材料内部的应力水平达到或超过材料的强度，则认为复合材料螺栓连接发生破坏。特征尺寸法就是根据点应力状态来评价复合材料螺栓连接的失效。

有限断裂力学模型是基于应力和能量准则来预测复合材料螺栓连接的强度失效强度，其具体的失效表达式为：

基于应力的失效准则为：

基于能量的失效准则为：

式中：为碳纤维复合材料无缺口层合板的拉伸强度；K_I为碳纤维复合材料层合板I型断裂韧性；a为裂纹长度；L为发生失效时裂纹扩展的长度。

基于有限元断裂力学方法建立一种预测多向复合材料螺栓连接的模型。该模型同时采用应力失效准则和能量失效准则该模型，模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及特定铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立复合材料层合板的断裂韧性与特定层之间的断裂韧性之间的关系，进而预测任意铺层复合材料螺栓连接的强度，该模型与传统的点应力和平均应力相比，具有较高的精度。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于有限断裂力学模型分析复合材料螺栓连接强度，能够预测精度优于传统的点应力和平均应力模型。

本发明的技术解决方案为：一种基于有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接拉伸强度方法，包括下面几个步骤：

步骤一：对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配确定关键孔的位置；

步骤二：确定关键孔满足失效的有限断裂力学模型公式；

步骤三：确定层合板中某一单层的有限裂纹的长度，即特征长度L；

步骤四：确定相应层的的断裂韧性

步骤五：确定任意层铺层比例层合板的断裂韧性K_tc；

步骤六：根据所建立的特征长度和断裂韧性耦合失效准则的有限断裂力学模型预测碳纤维复合材料多钉连接的拉伸强度。

在步骤一中确定多钉连接中关键孔位置的方法为：

利用刚度法对碳纤维复合材料多钉连接结构进行钉载分配，得到各个螺栓孔受载情况，其中受载比最大的即为关键孔，这样关键孔的位置就确定了。

在步骤二中确定限断裂力学模型为：

基于应力的失效准则为：

基于能量的失效准则为：

式中：为碳纤维复合材料无缺口层合板的拉伸强度；KI为碳纤维复合材料层合板I型断裂韧性；a为裂纹长度；L为发生失效时裂纹扩展的长度。

在步骤三中确定特征长度的实现方式为：

求出关键孔沿Y轴的应力分布表达式：试中为无限板宽的应力系数。

接着算出复合材料层合板I型断裂韧性：其中Y(ρ)＝1+0.1(ρ-1)-0.016(ρ-1)²+0.002(ρ-1)³；试中E_x和E_y为复合材料层合板在正交坐标轴下的弹性模量；G_xy为复合材料层合板在正交坐标轴下的剪切模量；υ_xy和υ_yx为泊松比；Y为各向异性板的修正系数。

算出关键孔发生裂纹时的形状函数：F(a/W)＝F_hF_w。试中f_n＝1+0.358λ+1.425λ²+1.578λ³+2.156λ⁴，λ＝R/a，

最后确定L的非线性方程：

在步骤四中确定相应层的的断裂韧性的实现方式为：

确定远场失效应力比试中为复合材料层合板失效时第i个子铺层的应力，为复合材料层合板失效时确定铺层的应力。

建立复合材料子铺层的断裂韧性与确定层断裂韧性之间的关系：