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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( 二 )


2.2 材料退化模型
材料退化模型通过退化刚度系数将导致材料失效的主要作用力降低 。 退化刚度系数没有标准的方法和程序可以遵循 。 目前文献中各种退化刚度系数的方法可以归为两类：一类是研究者基于对复合材料力学行为的研究经验 ， 结合复合材料结构的力学特点 ， 初步提出不同失效模式下需要退化的材料刚度系数 ， 然后集合实验数据对各种退化系数进行修正和改进；另一类是从细观力学理论出发 ， 从理论角度导出材料的近似刚度系数 。 突降退化能够比较准确模拟复合材料的退化 ， 且容易实现 ， 因此该类模型在渐进失效分析中被广泛采用 。 本文采用McCrthy等人提出的材料参数退化方式 ， 对损伤部位刚度进行折减 。 不同的面内损伤模式对应不同的退化方案 ， 如表3所示 。
表2 Hashin失效准则
「」「技术帖」碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟
本文插图

表3 材料刚度退化模型
「」「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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2.3 渐进损伤分析流程
编写ABAQUS用户子程序VUMAT ， 分析流程图如图3所示 。 该方法主要包括四个方面的内容：应力求解、材料失效准则的判断、材料参数退化和最终的失效评价 ， 这四个方面相互关联 。
3、结果分析

「」「技术帖」碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟
本文插图

图3 渐进损伤分析流程
采用ABAQUS/Explicit求解器进行计算 。 得到铆接完成后楔形结构的应力分布云图 ， 如图4所示 。 由图可以发现 ， 压铆完成后应力较大的区域主要集中在铆钉镦头窝附近 ， 且不同铺层应力差别较大 ， 与传统金属材料应力分布明显不同 ， 呈现出层交效应 。 根据铆钉的成型规律和受力特性将压铆过程分为三个阶段 。
第一阶段：从压铆作用头接触到铆钉镦头开始 ， 压头位移逐渐增大 ， 所需压力逐渐提高 ， 铆钉镦头一侧开始变形 ， 铆钉钉杆出现轻微弯曲 。 当钉杆和钉孔接触时这个阶段结束 。 此阶段铆钉和待铆件还未发生接触 ， 只有铆钉发生变形 。
第二阶段：只发生钉杆的镦粗 ， 铆钉和钉孔内壁接触面积逐渐增大 ， 但镦头还未和锪窝发生接触 ， 直至钉孔受到均匀挤压 ， 次阶段结束 。
第三个阶段：随着压头位移的增加 ， 钉孔逐渐被填满 ， 铆钉镦头开始出现明显的镦粗 ， 铆钉材料的流动受到锪窝结构的阻挡 ， 镦头开始填满锪窝 。 同时碳纤维复合材料层合板由于受到镦头的压力 ， 锪窝部位出现变形和局部的损伤 。 当压头运动到刚和待铆件表面接触时 ， 压头停止移动 ， 开始保压 。
压铆过程在0.57s内完成 ， 复合材料层合板在铆钉的压力作用下紧密连接在一起 。 压铆过程模拟图如图4所示 。

「」「技术帖」碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟
本文插图

图4 压铆过程模拟图
在压铆过程中铆钉镦头附近区域的复合材料受到的挤压力逐渐增大 ， 出现局部损伤现象 ， 图5给出了各个失效模式的失效区域图 。 从图中可以看出 ， 当压铆完成后基体拉伸损伤、基体压缩损伤和层间剪切分层是复材的主要失效方式 ， 失效区域主要位于锪窝部位和钉孔接触位置附近 。 在复合材料的各种失效方式中 ， 剪切分层失效约占60% ， 且分层产生后在交变应力的作用下会逐渐扩展 ， 显著降低连接结构的强度 。
4、结论

「」「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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【「」「技术帖」碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟】

图5 各失效模式失效区域图
本文利用ABAQUS有限元软件在合理简化物理模型的基础上创建仿真模型 ， 利用软件子程序接口编写基于Hashin失效准则的VUMAT材料数值模型 ， 对碳纤维复合材料楔形件压铆过程进行了数值模拟 。 得到了铆钉的成形规律和待铆楔形件的应力分布情况 ， 以及镦头窝区域碳纤维复合材料层合板的损伤失效类型和扩展方向 ， 为铆接工艺制定提供了一种参考依据 。


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