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炭纖維復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)有限元建模原理
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| 發(fā)布時間：
2022/8/20 |
炭纖維復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)有限元建模原理
(1)、炭纖維復(fù)合材料有限元應(yīng)力分析模型
活性炭纖維復(fù)合材料有限元應(yīng)力分析模型是復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)有限元分析中使用最廣泛的模型，主要有二維和三維兩類。有限元應(yīng)力分析首先建立含膠層的模型，計算膠接結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力分布；然后采用復(fù)合材料強度退化準則對膠接件單元進行退化處理和失效判別，按照剪切或剝離應(yīng)力對膠層單元進行退化處理和失效判別；最后按照結(jié)構(gòu)破壞準則，求出膠接結(jié)構(gòu)強度。
三維有限元模型使用八節(jié)點實體單元模擬編織纖維復(fù)合材料接頭。每個節(jié)點有3個自由度，被膠接件厚度方向劃分為8層。膠層的單元進行了局部優(yōu)化，膠接段兩端網(wǎng)格比較密，中間部分比較稀疏。通過有限元模擬膠層剪切應(yīng)力分析，剝離應(yīng)力的最大值發(fā)生在膠接段端部附近。有限元應(yīng)力分析使用了最大應(yīng)力準則來判斷單元失效，得到了膠接接頭拉伸和橫向失效載荷與含不同纖維體積分數(shù)玻璃纖維增強膠層的關(guān)系曲線，以及不同纖維方向的剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力的變化曲線。
活性炭纖維復(fù)合材料有限元應(yīng)力分析方法的優(yōu)點在于這種有限元方法可以方便地模擬接頭幾何細節(jié)，較準確地得到接頭各位置的應(yīng)力和位移場。解析解一般都是將結(jié)構(gòu)等效為平面應(yīng)變問題或者是忽略沿著寬度方向的應(yīng)力和位移的變化；也可以方便地模擬膠層和被膠接件的塑性行為，而彈塑性行為的模擬增加了本已較復(fù)雜的解析結(jié)果的復(fù)雜性。
但是，這種基于應(yīng)力分析的有限元方法對于網(wǎng)格有很強的依賴性，尤其是處于應(yīng)力奇異性區(qū)域的搭接段端部，網(wǎng)格粗細對所得的應(yīng)力影響很大；而且對于損傷和裂紋的擴展問題描述存在困難。
(2)、基于斷裂力學模型
接頭的失效通常是由缺陷擴展開始，這與斷裂力學認為結(jié)構(gòu)的失效發(fā)生在結(jié)構(gòu)裂紋處相一致。通常使用斷裂力學方法分析裂紋擴展和進行結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計時，求解應(yīng)力強度因子和能量釋放率的方法有虛擬裂紋閉合技術(shù)、積分方法、虛擬裂紋擴展方法和等效域積分法等。對于均勻脆性材料和各向同性材料體的裂紋擴展共有以下幾個斷裂判據(jù)：最大能量釋放率準則；最大拉應(yīng)力準則；應(yīng)變能密度因子理論準則等。膠接結(jié)構(gòu)強度分析中使用最廣泛的是虛擬裂紋閉合技術(shù)，該方法具有一般斷裂力學方法的特點，依據(jù)初始缺陷或裂紋的長度，假設(shè)當應(yīng)變能釋放率達到臨界值時裂紋擴展。在膠接結(jié)構(gòu)中，通常在搭接段端部界面處預(yù)制初始裂紋，此部位為結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中最大區(qū)域。失效取決于材料的性能、界面膠層質(zhì)量、膠層斷裂韌度和裂紋尖端應(yīng)力狀態(tài)等。
相對于基于有限元應(yīng)力分析方法，這種方法對膠接結(jié)構(gòu)的強度分析就變成了對該區(qū)域裂紋擴展問題的分析，而這種界面破壞是膠接結(jié)構(gòu)的主要失效模式；該方法在一個分析步驟內(nèi)就可以求得計算能量釋放率所需的所有參數(shù)，并且能夠得到對應(yīng)不同斷裂模式的各應(yīng)變能釋放率分量，而且分析所需斷裂韌度等參量都可以通過簡單實驗獲得，因而得到了廣泛的應(yīng)用。
該方法的局限性：
?、傩枰跏剂鸭y，對于沒有初始裂紋或初始裂紋長度不好確定的情況不適用。
?、趯W(wǎng)格粗細的依賴性，一般采用等效應(yīng)變能釋放率或總體應(yīng)變能釋放率來判斷裂紋的擴展，這兩種應(yīng)變能釋放率對網(wǎng)格粗細的依賴程度要小得多；也由于純模式下的應(yīng)變能釋放率很難測得，而總的應(yīng)變能釋放率的測量則相對簡單得多。
③相對解決了裂紋何時擴展問題，對于裂紋向何方向擴展問題并未解決。因為有限元模擬中裂紋擴展的路徑已給出，但是實際裂紋擴展的路徑是未知的。
(3)、基于損傷力學模型
這種方法是基于Dugdale Barenblatt的粘接破壞模型：在裂紋前緣有一個粘接破壞區(qū)域或者軟化塑性區(qū)。使用的單元叫作粘接元，基于以下假設(shè)提出：①材料連續(xù)；②界面。的分離破壞。
粘接元的失效包括分層的萌生和擴展兩個方面。一般采用強度準則判斷粘接元的損傷萌生，損傷萌生后則采用能量破壞準則判斷粘接元的破壞；也可以同時采用應(yīng)變準則判斷粘接元的損傷萌生和破壞。在膠接中，粘接元一般被用來模擬膠層，被膠接件則采用體元或面元模擬。
這種方法的優(yōu)點：
?、賹嶋H情況的破壞一般為以內(nèi)聚為主的界面和內(nèi)聚混合破壞，因此該方法是與物理機理最符合的模擬方法。
?、谶@種方法結(jié)合了基于有限元應(yīng)力分析方法預(yù)測初始裂紋的優(yōu)勢和虛擬裂紋閉合方法模擬裂紋擴展的優(yōu)勢。
?、郛敂嗔堰^程區(qū)(塑性區(qū))的尺寸較大，線彈性斷裂力學方法不再有效時，該方法仍然適用。
?、苓@種方法相對于前述方法，對網(wǎng)格的依賴度大大減小。
該方法的缺點：粘接層為零厚度層，也就無法模擬厚度方向應(yīng)力和位移場的變化。
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