一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法

摘要

本发明属于复合材料技术，涉及对复合材料结构机械连接湿装配工艺的一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法。本发明对胶层硬度和拧紧力矩在复合材料结构机械连接湿装配工艺中的影响进行了分析，分别对材料层板模型、胶层模型和螺栓模型进行分析，绘制出复合材料板孔边环向及径向应力曲线，给出了一种复合材料孔边应力的分析方法和工程化的应力处理方法，解决了湿装配工艺中胶层硬度、螺栓拧紧力矩对复合材料孔边应力集中影响的分析手段不足的问题，提供了复合材料孔边应力提取和处理的方法，可以帮助工程技术人员对孔边应力集中进行直观的判断，有较高的工程应用价值。

主权项

1.一种复合材料湿装配连接处材料性能的处理方法，其特征是，（1）带孔层板模型几何尺寸以层板模型上孔的直径d为基准，在连接件载荷方向上的模型长度L的一半大于4d，即L/2＞4d，在垂直载荷方向上的层板模型宽度w的一半大于2.5d,即W/2＞2.5d，层板模型在载荷方向上的一端进行约束;（2）元素类型和尺寸元素选用六面体元，在过渡区域或者圆角区采用五面体元，在六面体元中，长宽比或长高比或宽高比为1：1～10：1；（3）三维复合材料铺层属性的处理采用MSC/NASTRAN软件中三维各向异性的材料属性卡模拟复合材料各铺层的属性，区别复合材料单向带中45度铺层和-45度铺层，将0度铺层的三维各向异性的单向带铺层的元素值转换为复合材料单向带中45度铺层、-45度铺层和90度铺层材料刚度矩阵：代入MSC/NASTRAN软件中对带孔模型进行分析；其中，{σ}＝{σ_x σ_y σ_z τ_xy τ_yz τ_zx}为铺层应力分量，[G]=[G_ij]为铺层材料刚度矩阵，下标1-6表示材料坐标系下的X,Y,Z,XY,YZ和ZX方向，{ε}＝{ε_x ε_y ε_z γ_xy γ_yz γ_zx}为铺层应变分量；（4）湿装配中胶层模型利用上述步骤（2）中采用的体元来模拟胶层，胶层的材料属性为各向同性；（5）湿装配中螺栓模型利用上述步骤（2）中采用的体元分别模拟螺杆、螺栓和螺母，螺杆、螺栓和螺母的材料属性为各向同性；（6）在有限元层板模型中的孔中心建立柱形坐标系，将节点分析坐标系设置为柱形坐标系；（7）将通过共用节点的分析坐标系为柱形坐标系的带孔层板模型、胶层模型和螺栓模型代入MSC/NASTRAN软件中进行应力分析；（8）应力的提取和分类处理(a)利用MSC/PATRAN软件的后处理功能，设置圆弧提取路径，沿着层板模型孔边的切线和法线方向提取应力分量，切线方向应力定义为环向应力，孔边法线方向定义为径向应力;(b)无量化处理，给出应力集中系数引入板净截面拉伸应力P_H＝P/(W-d)·T和孔挤压应力P_d＝P/(d·T)进行无量纲化处理；最大径向应力因子K_rd：最大环向应力因子$k_{\mathrm{\sigma \theta }}^{\max }={\sigma }_{\theta }^{\max }/P_H;$其中W为模型板宽，T为层合板厚度；（9）绘制复合材料湿装配连接处材料性能孔边应力曲线设置孔的中心点为坐标系的原点；坐标系纵轴的刻度按照最大径向应力因子K_rd进行设置；坐标系横轴的刻度按照最大环向应力因子进行设置；由孔的中心点与孔边应力提取点划直线，以直线与圆的交点为0点，在直线上绘制提区点的应力集中系数，提区点的应力集中系数包括径向最大径向应力因子K_rd和最大环向应力因子当绘制最大径向应力因子K_rd值时，以纵轴的刻度为基准，在直线上绘制径向最大应力与挤压应力比K_rd，当绘制最大环向应力因子K_rd值时，以横轴的刻度为基准，在直线上绘制最大环向应力因子K_rd。