炭纤维复合材料胶接结构有限元建模原理-南通*通活性碳纤维有限公司

炭纤维复合材料胶接结构有限元建模原理

发布时间： 2022/8/20

　　　　　　　炭纤维复合材料胶接结构有限元建模原理
　　(1)、炭纤维复合材料有限元应力分析模型
　　活性炭纤维复合材料有限元应力分析模型是复合材料胶接结构有限元分析中使用最广泛的模型，主要有二维和三维两类。有限元应力分析首先建立含胶层的模型，计算胶接结构的总体应力分布；然后采用复合材料强度退化准则对胶接件单元进行退化处理和失效判别，按照剪切或剥离应力对胶层单元进行退化处理和失效判别；最后按照结构破坏准则，求出胶接结构强度。
　　三维有限元模型使用八节点实体单元模拟编织纤维复合材料接头。每个节点有3个自由度，被胶接件厚度方向划分为8层。胶层的单元进行了局部优化，胶接段两端网格比较密，中间部分比较稀疏。通过有限元模拟胶层剪切应力分析，剥离应力的最大值发生在胶接段端部附近。有限元应力分析使用了最大应力准则来判断单元失效，得到了胶接接头拉伸和横向失效载荷与含不同纤维体积分数玻璃纤维增强胶层的关系曲线，以及不同纤维方向的剥离应力和剪切应力的变化曲线。
　　活性炭纤维复合材料有限元应力分析方法的优点在于这种有限元方法可以方便地模拟接头几何细节，较准确地得到接头各位置的应力和位移场。解析解一般都是将结构等效为平面应变问题或者是忽略沿着宽度方向的应力和位移的变化；也可以方便地模拟胶层和被胶接件的塑性行为，而弹塑性行为的模拟增加了本已较复杂的解析结果的复杂性。
　　但是，这种基于应力分析的有限元方法对于网格有很强的依赖性，尤其是处于应力奇异性区域的搭接段端部，网格粗细对所得的应力影响很大；而且对于损伤和裂纹的扩展问题描述存在困难。
　　(2)、基于断裂力学模型
　　接头的失效通常是由缺陷扩展开始，这与断裂力学认为结构的失效发生在结构裂纹处相一致。通常使用断裂力学方法分析裂纹扩展和进行结构损伤容限设计时，求解应力强度因子和能量释放率的方法有虚拟裂纹闭合技术、积分方法、虚拟裂纹扩展方法和等效域积分法等。对于均匀脆性材料和各向同性材料体的裂纹扩展共有以下几个断裂判据：最大能量释放率准则；最大拉应力准则；应变能密度因子理论准则等。胶接结构强度分析中使用最广泛的是虚拟裂纹闭合技术，该方法具有一般断裂力学方法的特点，依据初始缺陷或裂纹的长度，假设当应变能释放率达到临界值时裂纹扩展。在胶接结构中，通常在搭接段端部界面处预制初始裂纹，此部位为结构应力集中最大区域。失效取决于材料的性能、界面胶层质量、胶层断裂韧度和裂纹尖端应力状态等。
　　相对于基于有限元应力分析方法，这种方法对胶接结构的强度分析就变成了对该区域裂纹扩展问题的分析，而这种界面破坏是胶接结构的主要失效模式；该方法在一个分析步骤内就可以求得计算能量释放率所需的所有参数，并且能够得到对应不同断裂模式的各应变能释放率分量，而且分析所需断裂韧度等参量都可以通过简单实验获得，因而得到了广泛的应用。
　　该方法的局限性：
　　①需要初始裂纹，对于没有初始裂纹或初始裂纹长度不好确定的情况不适用。
　　②对网格粗细的依赖性，一般采用等效应变能释放率或总体应变能释放率来判断裂纹的扩展，这两种应变能释放率对网格粗细的依赖程度要小得多；也由于纯模式下的应变能释放率很难测得，而总的应变能释放率的测量则相对简单得多。
　　③相对解决了裂纹何时扩展问题，对于裂纹向何方向扩展问题并未解决。因为有限元模拟中裂纹扩展的路径已给出，但是实际裂纹扩展的路径是未知的。
　　(3)、基于损伤力学模型
　　这种方法是基于Dugdale Barenblatt的粘接破坏模型：在裂纹前缘有一个粘接破坏区域或者软化塑性区。使用的单元叫作粘接元，基于以下假设提出：①材料连续；②界面。的分离破坏。
　　粘接元的失效包括分层的萌生和扩展两个方面。一般采用强度准则判断粘接元的损伤萌生，损伤萌生后则采用能量破坏准则判断粘接元的破坏；也可以同时采用应变准则判断粘接元的损伤萌生和破坏。在胶接中，粘接元一般被用来模拟胶层，被胶接件则采用体元或面元模拟。
　　这种方法的优点：
　　①实际情况的破坏一般为以内聚为主的界面和内聚混合破坏，因此该方法是与物理机理最符合的模拟方法。
　　②这种方法结合了基于有限元应力分析方法预测初始裂纹的优势和虚拟裂纹闭合方法模拟裂纹扩展的优势。
　　③当断裂过程区(塑性区)的尺寸较大，线弹性断裂力学方法不再有效时，该方法仍然适用。
　　④这种方法相对于前述方法，对网格的依赖度大大减小。
　　该方法的缺点：粘接层为零厚度层，也就无法模拟厚度方向应力和位移场的变化。