GBJM方法在复合材料机械连接钉载分配中的应用研究

陈栎同 刘明明 戴方适

摘 要 本文对现有复合材料机械连接计算钉载分载主要数值方法进行梳理，并重点对GBJM方法进行了介绍。同时通过建立典型连接结构形式有限元模型应用GBJM方法进行钉载计算并与试验值进行对比，证明新方法计算效率高、与试验值吻合度高的优点。为后续研究、预测复合材料钉孔失效问题提供了帮助。

关键词 复合材料;钉载分配;有限元模型;GBJM

引言

复合材料结构连接设计中，机械连接由于其易拆卸、维护，工艺性好，传载能力强，等特点，被用作为主要连接形式。但由于复合材料各向异性、延展性差、层间剪切强度低等特点，使得其失效形式众多，所以为进一步分析复合材料机械连接失效形式，确定连接区钉载分配变得尤为重要。

钉载分配分析作为强度估算的基础主要有三种分析方法：试验法、解析法和数值法，它们各有优缺点。数值法作为目前普遍采用且适用性较广的一种方法，一直受到青睐，本文对基于GBJM方法的复合材料多钉连接结构钉载分配计算进行了研究。

1现有数值方法

目前确定复合材料钉载分配主要方法有两种。一种为试验测量。在使用该方法时，由于复合材料受工艺性影响其性能参数具有分散性，往往需要设置多组试验件才能得到相对准确的测量结果，其耗时长，需要大量准备工作以及设备，尤其对于大尺寸复合材料连接试验，成本高，不易实现;另一种方法即利用有限元方法进行钉载计算，尤其在结构初步设计阶段，该方法被大量使用。

对于利用有限元方法进行复合材料机械连接仿真计算钉载分配，主要有三种方法：①建立二维板壳单元模拟连接件，使用梁单元、杆单元或者fastener单元模拟连接钉。该方法建模速度快、计算周期短，但该方法无法模拟实际连接中的钉孔接触、配合间隙、摩擦力等的影响，其结果只能作为初步设计的依据;②在①方法的基础上，利用间隙元模拟钉孔配合间隙、接触的影响。但由于其在多钉或者大规模钉组分析中，钉载分配复杂，无法确定实际接触面，所以建模阶段需要对每个连接钉的整个圆周上设置间隙元，计算规模太大，不易建模，耗时多。一般仅用于钉孔细节分析中;③利用三维有限元单元建立实体模型进行计算。该方法几乎可模拟接触、装配间隙、预紧力等几乎所有机械连接特性，但由于实体模型规模很大，对硬件要求更高，且接触分析对网格要求高，计算不易收敛，耗时很长等特点，在实际工程中往往不易实现。

2GBJM方法

为解决现有技术的不足，Gray等人在2010年提出了一种新的螺栓连接模拟方法，即GBJM方法（ global bolted joint model）。通过采用梁单元耦合解析刚体面模拟螺栓连接特征。通過多年应用，该方法的有效性与正确性已经被试验证实。本文即利用GBJM方法计算复合材料层压板机械连接结构钉载，并通过与已有的试验结果对比证明方法的有效性。

3GBJM方法在复材连接钉载计算中的实现过程

GBJM方法由于在建模中需要采用梁单元耦合解析刚体面模拟螺栓连接特征，建模过程较为复杂。此处以复合材料层压板三钉单剪结构为例说明其在有限元软件ABAQUS中的建模过程，见图1。为了便于与试验结果进行比较，结构件材料以及几何特征均取自参考文献1。

首先需要按照连接板几何尺寸，保留其钉孔的几何特征，取其中位面。按照连接钉的有效长度建立梁元，并将线段在连接板钉孔中位面以及连接板间接触界面处设置节点。建立圆柱形刚性面模拟螺栓外表面，直径为钉孔直径，高度为孔深，并同时在刚性面中心建立参考点。接着，按装配关系将连接板、连接钉、离散刚性面进行装配，其中刚性面参考点与连接钉线段上与连接板中位面打断处节点重合并将刚性面参考点与连接钉线段上重合节点的6个自由度进行耦合。将连接钉线段上对应钉孔中心点处节点作为控制节点与钉孔孔径一周单元节点的钉轴向以及中位面面内转动自由度进行耦合。在离散刚性面与钉孔孔壁节点之间建立接触关系。最后在模型中施加边界条件，载荷，求解得到钉载。

4试验值对比

通过与试验值比较可以看出，通过GBJM得到的结果相比试验值，两侧的钉受载更为严重，但误差较小，在可接受范围内，见表1。

5应用前景

GBJM方法由于其独特的计算方式，较小的计算代价以及工作复杂程度介于实体模型与利用传统连接单元模型之间，对于组合件级别大小的结构应力分析具有独特的优势。对于飞机结构而言，在壁板连接区应力分析、机身对接连接区应力分析、组合框连接区应力分析等等典型结构局部连接应力分析中存在广泛应用前景。

6结束语

本文对现有复合材料机械连接计算钉载分载主要数值方法进行梳理，并重点对GBJM方法进行了介绍。同时通过建立典型连接结构形式有限元模型应用GBJM方法进行钉载计算并与试验值进行对比，证明新方法计算效率高、与试验值吻合度高的优点。为后续研究、预测复合材料钉孔失效问题提供了帮助。