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「」「技术帖」碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟


「」「技术帖」碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟
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摘要：为了研究碳纤维复合材料楔形件压铆过程中铆钉的成型规律和复材损伤失效情况 ， 在ABAQUS中建立了复合材料楔形件双面埋头压铆的分析模型 。 对ABAQUS进行二次开发 ， 创建碳纤维复合材料的VUMAT用户子程序材料模型 ， 材料模型采用三维Hashin失效准则作为累计损伤的判据 ， 并使用合理的材料退化方式对损伤部位的刚度系数进行折减 ， 来模拟复合材料的失效情况 。 通过有仿真模拟 ， 得到了铆钉在压铆过程中的应力应变分布规律和材料流动趋势 ， 以及复合材料层合板的损伤类型和损伤区域 ， 为复合材料楔形结构铆接工艺的设计提供了一种参考依据 。
关键词：碳纤维复合材料；楔形结构；压铆；仿真模拟；失效准则
飞机在高速飞行中 ， 要求采用密封铆缝和受力蒙皮 ， 要求部件外表面具有精确的外形 ， 而且对精加工的质量要求很高 ， 这样就提高了对铆接结构的连接和装配工艺的要求 。 为了达到上述要求可以从提高连接部位连接质量、连接强度、加工精度和轻量化等方面着手 ， 所以使得碳纤维复合材料等具有较低密度但高强度的材料得到广泛使用 。 但是目前国内各航空企业对复合材料楔形件的双面埋头铆接采用的是锤铆的方式 。 劳动强度大 ， 铆接质量主要取决于操作者的技术水平 ， 并且操作者的工作效率也比较低 。 为了解决上述难题 ， 遂开展了复合材料楔形部件双面埋头压铆工艺方面的研究 。 传统铆接工艺实验过程需要消耗大量财力和人力 ， 且实验耗费时间较长 。 本试验研究使用有限元数值模拟的方法在ABAQUS中对复合材料楔形件压铆过程进行虚拟实验 ， 能够比较准确的得到铆钉的成型规律和复材损伤失效情况 ， 对铆接工艺规范的制定和优化具有重要意义 。
1、有限元模型的建立
飞机的鸭翼、副翼、后缘襟翼和垂尾方向舵 ， 结构特点是呈楔形 ， 如图1所示 。 铆接部位的尺寸相对整个襟翼而言较小 ， 且离铆接部位较远区域不是本文验研究重点 ， 为了简化实验件结构 ， 只对单个铆钉孔区域附近的材料进行研究 。 而单个铆钉区域的楔形结构在铆接过程中铆钉的应变、应力和变形相对钉孔轴线对称 ， 所以只需建立一半模型 ， 在ABAQUS中添加对称约束即可 。 得到用于仿真分析的碳纤维复合材料楔形件结构 ， 如图2所示 。

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图1 飞机襟翼结构
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图2 楔形件结构仿真模型
复合材料层合板的铺层顺序为（45/90/-45/0/45/90/-45/0）s ， 单层厚度为0.125mm ， 总计16层 。 复合材料层合板性能参数如表1所示 。
2、三维模型的失效模拟方法
表1 仿真模型材料力学性能
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碳纤维复合材料层合板在压铆的过程中承受铆钉挤压载荷的作用 ， 会出现多种损伤形式 ， 包括纤维断裂和基体碎裂以及剪切分层失效 。 虽然ABAQUS提供了大量的单元库和求解模型 ， 但目前还无法准确模拟复合材料层合板的材料失效 。 本文利用ABAQUS提供的用户子程序接口编写复合材料的数值模型 ， 并在提交作业的过程中调用该子程序用于模拟碳纤维复合材料在压铆过程中的失效行为 。
2.1 失效准则
典型复合材料结构失效准则有多种类型 ， 首先是早期的唯象失效准则 。 这类种类强度理论包括三维修正最大应力准则、三维最大应力准则、Tsai-Hill准则、Hoffman准则和Tsai-Wu张量准则；其特点是在某种载荷类型下这些准则可以比较准确地预测复合材料的强度破坏值 ， 但是不能用来解释复合材料的破坏机理 。 另一类失效准则是“基于机理”的失效准则 ， 它们可以判断材料失效模式 ， 如Hashin准则和Puck准则 ， 它们在渐进损伤模型中应用广泛 。 本文采用了基于Hashin准则的损伤判据 ， 能够判断5种破坏方式 ， 失效准则表达式如表2所示 。


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