基于 ANSYS的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真
应用ANSYS的复合材料层合板静强度预测
范围内可以 允许层厚度在单 元面积上以双 线性变 化。 SOL ID46有一个等效的横向刚度, 以允许在横 向上有非零应力、应变和位移。
图 1 SOLID46单元示意图 F ig 1 Sketch m ap of SOLID46 cell
1 2 失效准则的确定 [6] 在 ANSYS软件中有三种预先定义好的破坏准
比。只要 某 单 元的 各 应力 分 量 满足 上 述 某 一 方
1 有限元建模 [ 5]
1 1 单元体选择 ANSYS 软件 中 提供 了 SHELL91、SH ELL99 和
SOLID46三种单元分析复合材料层合板, 本文采用 了 SOLID46单元。
下 面 简 单 介 绍 一 下 SOLID46 单 元 的 特 性。 SOLID46单元是八节点三维实体单元 SOLID45的一 种层叠形式, 它的每个节点有三个自由度, 即沿 x、y 和 z三个方向的平 动自由度, 示意 图如图 1 所示。 该单元主要针对宽厚比小于 10的结构。它可用以 建立叠层壳或实体的有限元模型, 每个单元允许有 多达 250 层的等厚材料层。另外, 该单元在 125层
复合材料是 20世纪 60年代中期崛起的一种新 型材料, 是由两种或两种以上不同物质以不同方式 组合而成, 它可以发挥出各种材料的优点, 克服单一 材料的缺陷, 扩大材料的应用范围。复合材料具有 重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良等优点 [ 1 ] 。 本文要研究二维机织复合材料, 它是由层合板发展 而来的新型复合材料, 目前研究尚未成熟, 还处于试 验和探索阶段。二维机织复合材料层合板是由具有 双向增强的纤维编织而成的, 它不同于层合板的最 大特点就是双向增强, 这使得单层板在相互垂直的 两个方向得到很好的增强 [ 2, 3] 。然而, 对于层合板, 由于铺层顺序的不同, 层合板又表现出不同于单层 板的特殊性质, 本文就是围绕这类机织材料层合板 的静强度特性展开分析的 [ 4] 。
基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真
2020年12月第44卷第12期Vol.J4No.12Dec.202() MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGDOI：10.11973/jxgccl202012016基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真孟宪明'，钟正S程从前2,曹铁山S赵杰2,黄亚烽-吴瑶2(1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300；2.大连理工大学材料科学与工程学院，大连116024)摘要：通过准静态单轴拉伸试验和面内剪切试验获取力学性能参数，采用Ls-Dyna软件中的纤维增强复合材料渐进损伤模型和复合材料层合板连续损伤模型模拟碳纤维复合材料层合板在面内剪切载荷作用下的力学响应和破坏模式，对比了2种模型的适用性。
结果表明：在面内剪切过程中的初始线弹性阶段,2种模型都能较好地模拟出碳纤维复合材料层合板的力学特性。
随着载荷的持续增大，渐进损伤模型的载荷-位移仿真曲线依旧呈线性上升，到达载荷峰值后迅速下降，与试验曲线存在很大偏差；连续损伤模型由于引入了损伤参数，当材料出现损伤后.其载荷-位移仿真曲线呈非线性，与试验曲线吻合良好。
关键词：碳纤维复合材料；连续损伤模型；渐进损伤模型；损伤参数中图分类号：TB332文献标志码：A文章编号：1000-3738(2020)12-0085-06Finite Element Simulation of In-plane Shear of Carbon Fiber ReinforcedPlastic Laminates with Two Material Models of LS-DYNA SoftwareMENG Xianming1.ZHONG Zheng2.CHENG Congqian2,CAO Tieshan2.ZHAO Jie2,HUANG Yafeng*,WU Yao2(1.China Automotive Technology&Research Center Co.,Ltd.,Tianjin300300,China；2.School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Technology»Dalian116024,China)Abstract:The progressive failure model of fiber reinforced plastics and the continuous damage model of composite laminate of the Ls-Dyna software were applied to simulate the mechanical response and damage modes of carbon fiber reinforced plastic laminates under in-plane shear loads,with the mechanical parameters obtained by quasi-static uniaxial tensile and in-plane shear tests.The applicability of the two models was compared.The results show that in the initial linear elastic stage during in-plane shearing,the two models could simulate the mechanical characteristics of the carbon fiber r&nforced plastic laminates.As the load continued to increase,the loaddisplacement simulation curve obtained by the progressive failure model still rose linearly,and dropped rapidly after reaching the load peak；the simulation curve had a large deviation from the test curve.When the material was damaged,because of the introduction of damage parameters,the load-displacement simulation curve obtained by the continuous damage model was nonlinear,which was in good agreement with the test curve.Key words:carbon fiber reinforced plastic；continuous damage model；progressive failure model；damage parameter收稿日期：2020-08-05；修订日期：2020-11-27基金项目：国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项项目（2O16YFBO1O16O2）作者简介:孟宪明（1980—）,男，山东济南人，高级工程师•博士通信作者:赵杰教授0引言碳纤维复合材料（CFRP）作为一种比强度高、比刚度高、耐腐蚀性能较强的轻量化材料，广泛应用于汽车、航空航天、军工武器、高速动车等方面口切。
ANSYS复合材料仿真分析
ANSYS复合材料仿真分析在ANSYS 中可以定义多种材料属性：主菜单-> preprocesser -> Material Prop -> Material Models -> 打开Define Material Model Behavior 对话框-> 顶部菜单中：Material -> New Model ... -> 弹出Define Material ID 对话框-> 定义更多的材料ANSYS复合材料仿真分析2009-05-23 23:31复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。
主要组分是增强材料和基体材料。
复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。
复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。
目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。
飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。
板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。
此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。
一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。
采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。
在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。
复合材料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。
这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。
碳纤维复合材料单钉连接拉伸性能仿真分析和试验研究
程的模拟和验证及相关性能数据。 １ 分 析 方 法
本文的仿真分析针对复合材料层合板结构静载加
载过 程 ， 以三维 有 限元分 析技 术为 基础 ， 通过 每一载 荷
Ａ ｓ ａｔ Ｔ ｅｔｎｉ ｒｐ ｒｅ ｆ ａｂ ｎｆ ｅ ｅ ｆ ｃｄｐａｔ Ｃ Ｒ ）ｗｔ ｓ ｇ ｏｔｏ ｔ ａ ｔｄｅ ｂ ｔ ｃ ： ｈ ｓ ｎｐｏ ｅｔ ｓ ｒｏ ｂ ｒ ｉ ｏ ｅ ｌｓｃ（ Ｆ Ｐ ｉ ｉ ｌ ｂ ｌｊｉ ｓｓ ｉｄ ｒ ｅ ｏ ｉ ｏｃ ｉ ｒｎ ｒ ｉ ｈ ｎｅ ｎｗ ｕ
中图分 类 号 ： Ｂ ３ Ｔ ３ １９ Ｔ ３ ； Ｐ ９ ． 文 献标识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ８ ５ ０ （ ０ ２ ０ — ０ ７ ０ １０ — ３ ０ ２ １ ） １ ０ １ — ４
Ｓ ｍ ｕ ａ ｉｎ ａ ｓ ｔ ｄ ｎ Ｔｅ ｉ ｎ Ｐｒ ｐｅ ｔｅ ｆＣａ ｂ ｎ Ｆ ｂ ｒ Ｒｅｎ ｏ ｃ ｄ ｉ ｌ ｔｏ ｎｄ Ｔｅ ｔＳ ｕ ｙ ｏ ｎｓｏ ｏ ｒｉｓ ｏ ｒ ｏ ｉ ｅ ｉｆ ｒ ｅ
ansys中对组合结构栓钉的模拟
够了。针对方法3，建模时只模拟组合结构梁的栓钉作用，对于钢梁与混凝
土板得粘结作用是非常小的，不予考虑。应注意在栓钉位置处钢梁节点与混
凝土节点是重合的，采用combine39单元，先定义合适的荷载-滑移关系曲线
，再在两个重合节点上建立0长度的弹簧单元，该弹簧单元可以模拟x、y、
、z三个方向的位移，应按照实际受力情况选取。具体如何控制x、y、、z三
根部节点，先将栓钉节点与砼节点合并，再将其与钢梁节点建立弹簧单元。
2.栓钉采用实体单元solid65单元，钢梁采用solid45单元，将栓钉根部节点
与钢梁节点进行合并，混凝土采用solid65单元，剪力连接件与其周围的混
凝土采用面一面接触(Targetl70单元和Contactl74)进行模拟，考虑了混凝
土与剪力连接件之间的滑移和摩擦。
3.通过控制钢梁与混凝土板得网格划分，在相应栓钉处，直接在钢梁与混凝
土节点上（为两个重合节点）建立弹簧单元combine39单元，并采用合适的
荷载滑移曲线模拟，钢梁与混凝土的黏结滑移。
我对接触一块没有什么了解，方法2也主要针对专门模拟栓钉作用，分析栓
钉受力行为而采用的方法，对于一般的组合结构栓钉的模拟采用方法3就足
对于组合结构，钢Байду номын сангаас与混凝土板协同工作程度与结构的极限承载力和变形、
及其各项力学性能有着非常密切的关系，而钢梁与混凝土板的连接主要是靠
剪力连接件，比如栓钉，因此在用ansys进行有限元分析时，如何有效的模
拟栓钉是至关重要的。这段时间看了不少有关组合结构有限元分析方面的文
献，栓钉在ansys分析中的模拟总结如下：
复合材料层合板多钉连接结构累积损伤过程可视化仿真模拟
复合材料层合板多钉连接结构累积损伤过程可视化仿真模拟张爽;王栋;郦正能;寇长河;章怡宁【期刊名称】《复合材料学报》【年(卷),期】2006(023)003【摘要】建立了分析复合材料层合板多钉连接结构的三维有限元模型,考虑了接触状态非线性和累积损伤过程非线性的影响,运用ANSYS中的APDL编制程序实现了对复合材料层合板机械连接结构整个承载过程的可视化仿真模拟,同时进行了T300/QY9512复合材料层合板多钉单剪拉伸试验.结果表明,在一定几何尺寸下,复合材料层合板多钉连接结构钉载分配的不均匀性在整个承载过程中并无明显改善.根据本文中提出的累积损伤模型对各孔位变形进行了计算,计算结果与试验结果吻合较好.从累积损伤过程的仿真结果可以明显看出,不同几何尺寸的多钉连接结构中各钉孔附近损伤的起始和发展过程具有明显的区别.优化设计结果表明,不同钉孔处层合板厚度的改变对各钉钉载分配无明显影响,但孔边法向和切向应力大小和分布均受到严重影响,对整个多钉连接结构的损伤程度产生很大变化.【总页数】6页(P135-140)【作者】张爽;王栋;郦正能;寇长河;章怡宁【作者单位】北京航空航天大学,飞机设计研究所,北京,100083;北京航空航天大学,飞机设计研究所,北京,100083;北京航空航天大学,飞机设计研究所,北京,100083;北京航空航天大学,飞机设计研究所,北京,100083;沈阳飞机设计研究所,沈阳,110035【正文语种】中文【中图分类】TB330.1【相关文献】1.复合材料层合板机械连接结构累积损伤模型和挤压性能试验研究 [J], 张爽;王栋;郦正能;寇长河;章怡宁2.复合材料层合板疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法 [J], 徐颖;温卫东;崔海涛3.基于连续损伤模型的层合板多钉连接结构失效分析 [J], 周银华;侯赤;赵美英;万小朋4.基于累积损伤的三维复合材料层合板疲劳寿命研究 [J], 郭葳;万小朋;赵美英;刘凤楠5.复合材料层合板T型连接结构的渐进损伤分析 [J], 李家春;王德鑫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ANSYS ACP复合材料案例详解-1
ANSYS ACP复合材料案例详解－1该算例为简单层合板分析，描述了从几何模型到后处理的基本操作流程。
1.前处理部分1〉打开ANSYS Workbench，直接拖拽ACP（Pre）到工作界面：2〉双击打开Engineering Data，分别创建单向纤维增强复合材料UD_T700与中心层材料Corecell_A550，详细定义如下：3〉返回Project，打开DesignModeler界面，设置单位制：4〉创建草图：5〉生成surface：6〉双击Model，打开Mechanical界面，设置厚度（此处厚度设置与铺层厚度无关）：7〉网格设置，生成网格：8〉更新流程：9〉双击或者右键-Edit打开ACP，可以看到，Engineering Data中的材料已经自动导入ACP：10〉注意单位设置，另外，ACP操作的每一步都需点击update图标才能更新：11〉创建层板与厚度（Fabrics）：12〉创建Stackups：13〉创建子层合板Sub Laminate：14〉创建铺层参考方向Rosetts：15〉定义Oriented Selection Sets，Point选择几何上的任一点即可，带[]部分，点击[]，再点击左侧相关项，即可自动导入；其中三Resetts代表的是铺层材料的0°方向，16〉查看参考方向，铺层零度方向，以及法向等可点击工具栏图标，如下：17〉右键点击Modeling Groups，创建三个层组，命名如下：18〉在sandwich_bottom下进行第一个层设置，命名为bottom_1，如下：19〉在sandwich_core下进行第二个层设置，命名为core_2，如下：20〉在sandwich_top下进行第三个层设置，命名为top_3，如下：21〉更新，层定义应该如下图所示：22〉返回workbench主界面，更新ACP流程：拖拽Static Structural流程到界面，将ACP的A5连接到Static Structural的B4，选择传递壳数据，连接好的流程见下图：23〉更新结构分析流程，双击打开Mechanical界面，四条边固定支撑，面上施加0.1Mpa压力，边界条件设置如图：2.求解，点击Solve直接求解3.后处理1〉拖拽ACP(Post)流程到ACP(Pre)上，连接效果如下：2〉将Static Structural的结果Solution与ACP后处理的Results部分连接，求解结果文件将被读入到后处理模块，如图：3〉更新流程，保证静态分析与ACP前处理流程上都是绿色对勾标志，刷新ACP后处理的Results部分:4〉双击打开ACP(Post)，在Solution分支下查看变形结果，设置如下：5〉变形结果云图：6〉接下来，配置组合失效准则，创建复合材料结构的失效结果图，两种材料的强度极限最初在Engineer Data中已经定义好。
基于Python复合材料单搭接机械连接结构ABAQUS二次开发
基于Python复合材料单搭接机械连接结构ABAQUS二次开发杨晔楠，胡昌宏，何四海（中航工业一飞院，陕西省西安市，710089）摘要：本文采用Python语言对ABAQUS进行二次开发，建立了复合材料单搭接机械连接结构参数化建模模块，可实现单排多钉连接结构有限元模型的快速建立、材料属性的设置，以及零件之间接触的自动生成；并编制了用于参数化分析的GUI（用户图形界面），提供了方便形象的数据输入界面。
最后将本文模型的计算结果与试验结果进行对比，钉载分配的最大误差不超过9%，贴片处的应变-载荷曲线非常接近，验证了本文建模方法的正确性。
本文二次开发程序提高了工作效率，减小了建模工作量。
关键词：复合材料 单搭接 参数化 GUI1.概述复合材料比强度和比模量高，且具备优越的重量特性和疲劳性能，使其在航空航天等领域得到了大量应用，引起了设计技术的重要变革。
在飞机结构中，由于结构设计、工艺和使用维护等要求，必须安排一定的工艺分离面、维修口盖等，从而存在大量紧固件。
对复合材料机械连接结构性能进行分析非常必要。
而影响其性能的因素有很多，包括结构的几何尺寸、复合材料的铺层以及搭接板的刚度等。
为了深入研究这些因素对结构性能的影响，需建立参数化模型以简化步骤、减小设计人员工作量。
ABAQUS软件是国际公认的大型通用非线性有限元分析软件之一，具备丰富的单元库和材料模型库，还为用户提供了专门的二次开发接口，能够实现ABAQUS前处理、后处理的自动化和用户化。
ABAQUS脚本接口是基于Python语言定制开发的，Python是一门功能强大的面向对象的编程语言，具备代码简洁、可扩展性强、内置数据结构丰富等特点[1]。
本文采用Python语言对复合材料单搭接连接结构有限元建模过程进行ABAQUS二次开发，并定制了一个用于参数化分析的GUI（用户图形界面），建立了此类结构的参数化分析平台，能够减少大量建模工作，方便快捷的应用于工程实际中。
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３累积损伤过程可视化仿真模拟
在复合材料层合板机械连接结构中，挤压破坏 是一种局部破坏，在设计中属合理情况。在层合板 几何参数满足挤压破坏要求的情况下，铺层类型是 影响其机械连接性能的重要因素。本文选择表３ 中所列的２种铺层，对Ｍ６试件进行了累积损伤过 程的可视化仿真模拟，对比情况如图５所示，图中 不同颜色代表着发生不同损伤类型的单元，检查各 个载荷步下发生各类型损伤的单元可对复合材料 层合板机械连接结构的设计起指导作用。
①输入层合板几何参数，建立复合材料层合 板单钉连接结构三维有限元模型；
②采用网格密度控制技术对整个结构划分 密度渐变的六面体网格；
③定义材料性能参数，选择复合材料单元损 伤准则和材料性能衰减准则；
④创建螺栓表面和层合板孔壁间的表面对 表面接触单元，选择接触算法，定义接触类型、摩 擦类型，设置主要参数，如接触刚度和最小穿透 值；
Ｆｉｇ．４
图４单钉连接挤压强度试验结果 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔ
表２单钉连接结构初始挤压破坏强度值
Ｔａｂｌｅ ２ ＩｎｉｔｉａＩ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏＩｔｅｄ ｊｏｉｎｔ
１参数化结构仿真设计
（１）仿真模块开发概况 通过参数化变量方 式建立有限元分析模型，用建立智能化分析的手 段为用户提供自动完成有限元分析的过程，使用 户实际上对复合材料层合板单钉连接结构设计和
收稿日期：２００５一０５ ２６：修订日期：２００５ １１—３０ 基金项目：凡舟基金（２００３０５０３）资助课题
摘要：应用ＡＮＳＹＳ参数化设计语言（ＡＰＤＬ）开发复合材料层合板机械连接结构的ＡＮＳＹＳ分析模块，实
现有限元分析前处理过程的参数化建模和后处理过程的累积损伤可视化仿真。建立三维累积损伤有限元
模型，采用ＡＮｓＹｓ中柔体对柔体的面面接触单元对螺栓表面和复合材料层合板孑Ｌ壁间的接触行为进行
模拟。进行的Ｔ３００帘子布／ＱＹ８９１１双马来酰亚胺树脂层合板单钉单搭螺栓挤压强度试验验证此分析模
块的有效性，对不同几何参数、不同铺层类型的复合材料层合板机械连接结构的承载性能进行可视化仿真
模拟。
关键词：结构仿真；复合材料层合板；机械连接；累积损伤；接触模型
中图分类号：Ｖ２２９＋．７
ａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｓｉｍｕＩａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｉａｍｉｎａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｓｉｎ９１ｅ ｂｏｌｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｄａｍａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｕｓｉｎｇ ＡＰＤＬ． Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｄａｍａｇｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ
第２７卷第６期
２００６年
１１月
航空学报
ＡＣＴＡ ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡ ＥＴ ＡＳＴＲＯＮＡＵＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．２７ Ｎｏ．６ Ｎｏｖ． ２００６
文章编号：１０００一６８９３（２００６）０６—１０８８ ０４
基于ＡＮＳＹＳ的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真
张爽１，王栋１，郦正能１，寇长河１，章怡宁２ （１．北京航空航天大学飞机设计研究所，北京 １０００８３）
万方数据
分析的各项属性拥有了控制权，如模型的几何尺 寸、材料的性能参数、施加载荷过程和划分网格的 密度。扩展后的ＡＮＳＹＳ具有更高级的运算力， 使设计修改和设计优化都变得更为简便。用户通 过此部分操作即可完成有限元分析的前后处理分 析过程。
采用本文开发的模块进行复合材料层合板机 械连接性能分析的主要过程如下，模块流程图如 图１所示。
损伤受到一定程度的抑制，本文只对上述５种基
本的损伤模式进行分析。
表ｌ
Ｔａｂｌｅ １
复合材料单元损伤准则和材料性能衰减准则 ＣＯｍｐｏｓｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｆａｉｌｕｒｅ¨ｌ惦ａｎｄ ｄｅ汀ａｄａｔｉｏⅡ ｒｕｌ器
线性拐点吻合较好，预测的初始挤压破坏强度值 误差控制在５％左右。表明本文开发的三维累积 损伤模型能够较好的预测复合材料层合板单钉连 接结构的挤压破坏性能。
第６期
张 爽等：基于ＡＮｓＹｓ的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真
图２修改后的ＡＮｓＹｓ Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ界面 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＡＮＳＹＳ Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ
图１ ＡＮｓＹｓ复合材料层合板单钉连接件挤压破坏累积损 伤模型
Ｆｉｇ．１
Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｄａｍａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ
第６期
张 爽等：基于ＡＮｓＹｓ的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真
Ｆｉｇ．５
图５ Ｍ６试件两种铺层累积损伤过程可视化仿真结果对比 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｄａｍａｇｅ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｃｋｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｍ６ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
稍显缓慢，但由于其纤维、基体剪切损伤和纤维拉 伸损伤以及纤维压缩损伤的扩展速度都较前者迅 速，对层合板的挤压性能起着主导作用，使得Ｂ 类铺层试件挤压性能较差。图６为２种铺层试件 Ｐ一艿曲线对比情况，在曲线上Ｂ类铺层试件较早 出现非线性拐点，且之后承载能力下降更为迅速。 仿真设计结果表明±４５。层有利于抗挤压破坏，随 着±４５。层含量下降，初始破坏载荷值降低，与试 验结果相符。
本文应用ＡＮＳＹｓ参数化设计语言（ＡＰＤＬ） 开发了复合材料层合板机械连接结构的ＡＮｓＹｓ 仿真设计模块，采用三维有限元累积损伤模型，考 虑接触非线性的影响，实现了有限元分析前处理 过程的参数化建模和后处理过程的累积损伤可视 化仿真。并由Ｔ３００帘子布／ＱＹ８９１１双马来酰亚 胺树脂层合板单钉连接挤压性能试验验证了该模 块的有效性，对比讨论了不同几何尺寸、不同铺层 类型的复合材料层合板机械连接结构的累积损伤 过程。
⑤进行非线性求解控制、载荷控制和输出控 制，施加边界条件和初始载荷；
⑥进行应力分析，判断各单元是否发生损 伤，若是则进行材料性能衰减，若否则继续加载进 行应力分析，重复上一步骤。
（２）参数化建模的图形用户操作界面 开发 的参数化结构仿真设计模块主要通过图形用户界 面（ＧＵＩｓ）工作，前处理过程实现参数化建模，用 户在输入层合板几何尺寸后，程序自动将层合板 从孔边到板边缘定义为３个区域，从内到外网格 由密到疏，使分析更加有效和快捷。修改后的 ＡＮＳＹＳ Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ如图２所示。整个分析过程 用户可以通过修改相应参数对接触状态非线性和 累积损伤过程非线性进行干预。复合材料层合板 使用ＳＯＬＩＤ４６三维八结点分层体单元，此单元每 个结点有３个自由度，分层定义铺层厚度，铺层角 度和铺层材料；螺栓使用ＳＯＬＩＤ４５三维八结点体 单元。由于结构具有对称性，只取１／４结构进行建 模。复合材料层合板网格划分情况如图３所示。
ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔａｋｅｓ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ａｔ ｂｏｌｔ—ｈ０１ｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔａｃｋｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ
ａｎｄ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｆｅｎｇｔｂ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ． Ｆｏｒ ａ１１ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｐｅｒ—
万方数据
图３复合材料层合板网格划分图 Ｆｉｇ．３ Ｍｅｓｈ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｉｎ９１ｅ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔ
（３）接触算法 为合理模拟接触行为，并为 在仿真设计中引入累积损伤过程的非线性影响， 采用ＡＮＳＹＳ中柔体对柔体的表面对表面接触单 元：ＴＡＲＧＥＴｌ７０三维八结点四边形单元和 ＣＯＮＴＡＣＴｌ７４三维八结点高次四边形单元，使 用“目标面”和“接触面”的概念来形成接触对。这 种单元支持具有大滑动和摩擦的大变形，且易于 进行接触压力和摩擦应力的后处理的优点。同 时，采用ＡＮＳＹＳ提供的扩展拉格朗日乘子法处 理接触问题。程序按照罚函数法开始，与纯粹拉 格朗日乘子法类似，用最大穿透范围值（ＦＴＯＬＮ） 来控制最大允许穿透值。如果迭代中发现穿透大 于ＦＴＯＬＮ值，则将各个接触单元的接触刚度 （ＦＫＮ）加上接触力乘以拉格朗日乘子的数值。 因此，这种扩展拉格朗日法是不停更新接触刚度 的罚函数法，这种更新不断重复，直到计算的穿透 值小于允许值为止。
对［４５／０／一４５／９０／４５／Ｏ／一４５／９０／４５／一４５］ｓ铺层 的Ｍ６和Ｍ８试件计算所得的载荷一位移曲线如 图４所示，计算所得的初始挤压破坏强度值与试 验值的对比情况如表２所示。由于未考虑拧紧力 作用，挤压强度的计算值比试验值稍小，属合理情 况。计算与试验所得的Ｐ＿艿曲线线性段斜率和非
万方数据
（１．Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅ巧ｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅ巧ｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） （２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００３５，Ｃｈｉｎａ）
表中各式中下角标代表各单层的主方向：ｚ， ｙ，ｚ为某一铺层的局部坐标系；ｚ为纤维的方向；ｙ 为垂直于纤维的方向；ｚ为垂直于并指向铺层面 外的方向。
２三维累积损伤模型验证
选用Ｔ３００／ＱＹ８９１１单钉单搭螺栓连接结构 进行验证试验，试验在ＭＴＳ８８０一５０ＫＮ疲劳试验 机上完成，试验夹具为单搭接，夹具为厚 １８ ｍｍ的钢板，试验连接件采用３０ＣｒＭｎＳｉＡ标 准受拉六角螺钉，Ｍ６拧紧力矩为６ Ｎ·ｍ，Ｍ８拧 紧力矩为１２ Ｎ·ｍ。选用Ｍ６和Ｍ８两种典型的 螺栓连接件，Ｍ６试件主要几何参数为：板 长８４ ｍｍ，板宽３０ ｍｍ，板厚２．５ ｍｍ，自由端距 ２４ ｍｍ；Ｍ８试件主要几何参数为：板长１００ ｍｍ， 板宽４０ ｍｍ，板厚２．５ ｍｍ，自由端距３２ ｍｍ。