「技术帖」碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟
最后更新：2020-04-07 11:43:59 手机定位技术交流文章
为了研究碳纤维复合材料楔块压铆过程中铆钉的形成规律以及复合材料的损伤和失效，在ABAQUS中建立了复合材料楔块双面沉头压铆分析模型。对ABAQUS进行二次开发，创建了VUMAT用户子程序碳纤维复合材料模型。材料模型采用三维Hashin破坏准则作为累积损伤准则，通过合理的材料退化方法降低损伤部位的刚度系数来模拟复合材料的破坏。通过仿真，得到铆钉在铆接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设计提供参考依据。
关键词:碳纤维复合材料；楔形结构；压铆；模拟；故障判据
在高速飞行中，需要密封的铆接接缝和受力蒙皮，要求部件的外表面具有精确的形状，并且对精整的质量要求很高，从而增加了对铆接结构的连接和装配工艺的要求。为了满足上述要求，我们可以从提高连接质量、连接强度、加工精度和连接零件的轻量化入手。因此，碳纤维复合材料和其他低密度但高强度的材料被广泛使用。然而，目前国内0+比例的企业采用锤击铆接复合楔形构件的双沉头铆接。劳动强度大，铆接质量主要取决于操作人员的技术水平，操作人员的工作效率相对较低。为了解决上述问题，开展了复合楔形件双面沉头铆接技术的研究。传统的铆接工艺需要大量的资金和人力，并且实验需要很长的时间。本实验研究采用有限元数值模拟方法，在ABAQUS中对复合材料楔形件铆接工艺进行虚拟实验，能够准确获得铆钉的成形规律以及复合材料的损伤和失效情况，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、后缘襟翼和垂直尾翼方向舵在结构上是楔形的，如图1所示。铆接部分的尺寸与整个襟翼相比相对较小，远离铆接部分的区域不是本文的重点。为了简化实验件的结构，只研究靠近单个铆钉孔区域的材料。然而，在铆接过程中，楔形结构在单个铆钉区域中的应变、应力和变形相对于铆钉孔的轴线是对称的，因此只需要建立一半的模型，并且需要在ABAQUS中添加对称约束。获得用于模拟分析的碳纤维复合材料楔形结构，如图2所示。
图1飞机襟翼结构
图2楔形结构模拟模型
复合材料层压板的层压顺序为(45/90/-45/0/45/90/-45/0)s，单层厚度为0.125毫米，共16层。复合材料层压板的性能参数如表1所示。
2.三维模型的失效模拟方法
表1模拟模型的材料力学性能
碳纤维复合材料层合板在铆接过程中受到铆钉挤压载荷时，会出现各种损伤形式，包括纤维断裂、基体断裂和剪切脱层失效。虽然ABAQUS提供了大量的单元库和求解模型，但仍然不能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，并在提交工作的过程中调用该子程序来模拟碳纤维复合材料在铆接过程中的失效行为。
2.1故障标准
典型复合材料结构有多种失效准则，第一种是早期的唯象失效准则。这种强度理论包括三维修正最大应力准则、三维最大应力准则、蔡希尔准则、霍夫曼准则和蔡武张量准则。其特点是这些准则能准确预测复合材料在一定载荷类型下的强度破坏值，但不能用来解释复合材料的破坏机理。另一种失效准则是“基于机制的”失效准则，它可以判断材料的失效模式，如在渐进损伤模型中广泛使用的哈辛准则和帕克准则。本文采用基于哈辛准则的损伤准则，可以判断五种失效模式。失效标准的表达式如表2所示。
2.2材料退化模型
材料退化模型将通过退化刚度系数来减小导致材料失效的主要力。退化刚度系数没有标准方法和程序可遵循。目前，文献中退化刚度系数的各种方法可分为两类: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性，初步提出不同失效模式下需要退化的材料刚度系数，然后收集实验数据，修正和提高各种退化系数；二是从微观力学理论推导出材料的近似刚度系数。突然退化能准确模拟复合材料的退化，且易于实现，因此这种模型被广泛应用于渐进失效分析中。在本文中，麦卡锡等人提出了一种材料参数退化方法，以降低受损零件的刚度。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哈辛失效标准
表3材料刚度退化模型
2.3渐进损伤分析过程
编写ABAQUS用户子程序VUMAT，分析流程如图3所示。该方法主要包括应力求解、材料失效准则判断、材料参数退化和最终失效评估四个相互关联的方面。
3.结果分析
图3渐进损伤分析过程
计算采用显式求解器。获得了铆接后楔形结构的应力分布云图，如图4所示。从图中可以看出，压铆后应力较大的区域主要集中在铆钉头承口附近，不同层的应力差异很大，这与传统金属材料的应力分布明显不同，呈现出层与层之间的效应。根据铆钉的成形规律和力学特性，铆接过程分为三个阶段。
在第一阶段，从铆钉头与铆钉头接触开始，铆钉头的位移逐渐增加，所需压力逐渐增加，铆钉头侧开始变形，铆钉杆轻微弯曲。当钉杆接触钉孔时，该阶段结束。在此阶段，铆钉和待铆接件尚未接触，只有铆钉变形。
在第二阶段，仅发生钉杆的镦粗，铆钉和钉孔内壁之间的接触面积逐渐增加，但是镦粗头还没有与埋头孔接触，直到钉孔被均匀挤压，并且第二阶段结束。
第三阶段:随着头部位移的增加，钉孔逐渐填满，铆钉头开始出现明显的镦粗，铆钉材料的流动被埋头孔结构阻挡，镦粗头开始填满埋头孔。同时，由于镦粗头的压力，碳纤维复合材料层合板在面向承窝的部位发生变形和局部损伤。当压头移动到刚好接触待铆接工件的表面时，压头停止移动并开始保持压力。
压铆过程在0.57秒内完成，复合层压板在铆钉的压力下紧密连接在一起。铆接过程的仿真图如图4所示。
图4铆接过程模拟图
铆接过程中，复合材料靠近铆钉头区域的挤压力逐渐增大，导致局部损伤。图5示出了每个故障模式的故障区域图。从图中可以看出，压铆完成后，基体的拉伸损伤、压缩损伤和层间剪切脱层是复合材料的主要失效模式，失效区域主要位于面向插座的点和钉孔的接触位置附近。在复合材料的各种失效模式中，剪切脱层失效约占60%，脱层发生后，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
图5各失效模式的失效区域图
本文在合理简化物理模型的基础上，利用ABAQUS有限元软件建立仿真模型。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的铆接过程进行数值模拟。得出铆钉的成形规律、待铆接楔形件的应力分布以及碳纤维复合材料层合板在镦粗头窝区域的损伤破坏类型和扩展方向，为铆接工艺制定提供参考依据。
来源:锻造设备和制造技术
作者:杜，李振宇，曲立刚，李静
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