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。