Tensile properties of a composite–metal single-lap hybrid bonded/bolted joint

Hybrid bonded/bolted (HBB) joint has been widely used in engineering practice because it can overcome the potential weakness of pure bonded and pure bolted joints. However, studies on HBB joint are still at the initial stage. In this paper, tensile properties of a composite–metal single-lap HBB joint was investigated experimentally. And a detailed finite element model (FEM) was established to simulate the tensile behavior of the joint. The model was verified by the experimental results. Then the damage propagation and load transfer mechanism were explored based on the FEM. The results show that the HBB joint can provide multi-load transmission paths and resist damage propagation in the adhesive. The HBB joint has higher strength and energy absorption capacity than the pure bonded joint. And the HBB joint has greater initial damage load and tensile stiffness than pure bolted joint. Adhesive fillets can obviously improve the tensile performances of the HBB joint. Lateral stiffness of the joint boundary and testing machine show obvious effects on tensile performances of single-lap hybrid joints.     

考虑间隙和拧紧力矩的复合材料钉载分配均匀化方法

一种通过调整钉-孔间隙和拧紧力矩改善复合材料多钉连接钉载分配不均匀性的方法被提出。首先，基于改进的钉载分配测量方法测量各钉承载比例，采用SPSS软件得到各钉载比例的多元线性回归函数，并以钉-孔间隙和拧紧力矩为设计变量，建立多钉连接钉载分配的线性优化模型。然后，采用单纯形算法对优化模型进行求解，得到优化解。最后，以三钉单剪连接为例，对比计算和试验测量结果。结果表明：求解结果与试验测量结果吻合度较高；优化后，最高钉载比例从36.06%降低到33.45%；三钉单剪连接结构承载能力提高约10.8%，且改善结构失效形式为钉-孔挤压失效。     

复合材料层合板多钉连接的紧固件连接柔度

复合材料层合板多钉连接结构中螺栓紧固件连接柔度随钉排数增加而变化。为了阐明多钉连接紧固件连接柔度与单钉连接紧固件连接柔度的差异并建立多钉连接紧固件连接柔度的计算方法,进行了ZT7H/5429复合材料层合板螺栓连接结构拉伸试验和紧固件连接柔度解析求解;研究了旁路载荷对紧固件连接柔度的影响规律并提出了旁路载荷伴随下紧固件连接柔度的计算公式;针对紧固件连接柔度取值与分析模型的相关性,构建了描述钉间层合板柔度偏差的模型适应函数并提出了面向分析模型的紧固件连接柔度修正公式;对1列5钉连接结构进行了钉载计算。结论表明：采用所建立的修正公式对紧固件连接柔度修正后,使得梁-壳有限元模型的钉钉载最大计算误差由16%减小至3%,钉载峰值的计算误差由11%减小至2%,实现了准确且快速的钉载计算,尤其适合大规模复合材料层合板结构钉群连接区的工程应用。     

纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线,结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。结果表明,螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。因此,呈现纤维屈曲变形,树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状,形成结构不均匀而出现薄弱区域。胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏,断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂,丝束方向杂乱排布。附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状,连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂,呈现净截面破坏,并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。     

复合材料机翼下壁板对接区设计与分析

机翼对接设计是飞机结构设计的一个重要环节,其设计的好坏关系到飞机的飞行性能和使用安全性能。基于国外先进民用客机外翼与中央翼的对接结构形式,设计了两种复合材料机翼下壁板的对接形式,并对其连接强度和失效模式进行了研究。利用商业有限元软件ABAQUS结合内聚力单元模型,模拟壁板蒙皮/缘条界面的失效,并获得不同对接形式构件的脱胶起始位置;通过引入Hashin失效准则的有限元模型研究拉伸载荷下对接构件的承载能力,并校核了螺栓强度;最后,比较分析了两种构件的最终失效模式,为复合材料关键连接区的细节设计提供一种有效的方法。     

纤维铺层方式对CFRP?铝合金单搭接胶接接头拉伸性能影响

为了分析异质材料胶接接头内部典型应力分布规律与刚度退化特点,探究不同铺层方式对异质材料单搭接胶接接头内部应力分布状态影响规律,开展试验和仿真相关研究。首先,制备不同铺层方式的CFRP（carbon fiber reinforce plastic）?铝合金单搭接胶接接头试验件,使用拉伸试验机进行拉伸试验,获得基本试验数据。其次,利用连续损伤模型、3D Hashin失效判据和Cohesive Zone Model研究异质材料胶接接头不同部位典型破坏特点。结果表明,随着复合材料板中0°铺层比例增加,胶接接头极限载荷呈现增加趋势,与之相反接头拉伸位移逐渐缩短。接头铺层方式与载荷方向共同影响胶接接头力学性能,当复合材料板内部各个方向纤维铺层较为均匀时,可以有效降低接头应力集中,载荷方向与铺层纤维方向一致时,可有效提高接头连接强度。复合材料板中0°铺层占比对接头的极限载荷和刚度退化（scalar stiffness degradation,SDEG）影响较大,0°占比越小接头承载能力越弱,接头刚度退化越复杂。      

飞机螺栓双剪连接结构有限元应力分析

为了设计更加高效和安全的航空航天结构元件,对螺栓连接进行精确的应力和应变分析是相当重要的。对飞机结构中广泛使用的铝合金7075 T6螺栓连接板进行了有限元建模,采用单螺栓和双螺母配合的双搭接连接,在建立有限元模型后,模拟施加三个不同大小的预紧力并附加不同的纵向拉伸载荷。螺栓连接中各个部件之间的接触采用三维面面接触单元来模拟,数值分析中考虑了摩擦效应,此外,还模拟了螺栓和板之间的间隙。有限元计算结果显示,由于施加预紧力而在孔边缘附近产生有益的压应力,较高的预紧力可以显著降低在孔边缘处合成拉伸应力的大小,并且在经受纵向拉伸载荷时也能够显著降低接头处的应力水平。     

民用飞机外翼、中央翼下壁板对接结构分析及试验研究

对接结构设计是飞机机翼结构设计的重要环节,其设计的优劣关系到飞机的使用寿命和安全性能。在分析国外先进民用客机外翼与中央翼对接结构型式的基础上,设计了两种机翼下壁板与对接肋的连接型式,并对其连接强度和失效模式进行了研究。利用商业有限元软件ANSYS研究拉伸载荷下对接结构的承载能力,根据计算结果针对对接型式进行试验研究,研究其破坏模式及钉载分配。最后,比较分析了两种不同结构型式的破坏模式和载荷分配,为关键连接区的结构细节设计提供方法支持。     

基于损伤权重的混合多钉连接件疲劳寿命预测方法

复合材料与金属材料混合多钉连接形式是当代飞机结构中最常见的连接形式,因此对于混合多钉连接件疲劳性能的研究有助于提高对飞机结构疲劳损伤的认知。针对以Ti-6Al-4V钛合金为螺栓的ZT7H/QY9611碳纤维增强树脂基复合材料连接板与30CrMnSiNi2A金属连接板混合多钉连接结构进行数值分析和试验研究。利用有限元方法,分别对复合材料和紧固件进行疲劳损伤预测,估算复合材料连接板上螺栓孔附近的损伤,依据复合材料和紧固件的损伤量所占权重,提出了以紧固件分布和复合材料连接板铺层层数为参数的经验公式,进而有效提高混合多钉连接结构疲劳寿命的预测精度。利用试验结果将螺栓孔损伤形式进行分类讨论,探索混合多钉连接件的损伤演化方式;利用C扫描技术得到复合材料分层损伤结果,与模拟结果进行对比分析,进一步解释了模型的合理性。与试验结果对比可以看到,考虑损伤权重的寿命预测值与试验值的对数误差仅为1.1%,相对于不考虑损伤权重方法的8.4%的对数误差,该模型寿命预测精度显著提高。     

C/C复合材料螺栓受拉破坏模式分析

文摘采用试验的方法研究了两种不同结构C/C复合材料螺栓的拉伸破坏形式。结果表明,螺栓头的结构决定了其破坏模式。对于受拉而导致的螺栓头剪切破坏,不是由单方向的层间剪切和面内剪切决定,而是两个方向剪切综合作用的结果,因此细化螺栓头结构设计能最大程度发挥复合材料的力学性能极限。     

复合材料层合板单搭接机械连接横向力研究

在复合材料单搭接连接结构中,由于载荷的偏心作用,在搭接处产生沿板厚度方向的横向力,使得接头产生横向位移并使螺栓偏转。采用试验及有限元方法对复合材料双钉单搭接机械连接中螺栓、螺母在静载荷作用下的应力进行研究,并进行结果分析。结果表明:单搭接中偏心矩在螺栓上的螺纹位置产生较大的应力,使螺栓发生断裂破坏;在螺母中产生较大的弯曲应力,使螺母发生破坏;在连接区两端对层合板施加横向约束能够有效降低螺栓、螺母中的应力幅值;计算结果与试验破坏模式吻合。     

复合材料-钛合金混合结构多钉连接钉载分布及有限元计算

连接部位通常是复合材料结构强度的薄弱环节,复合材料的多钉连接由于存在钉载分配不均匀性而 降低了其连接的强度,因此确定钉载分布规律及其影响因素对提高多钉连接的传载效率具有重要意义。以复 合材料-钛合金混合结构为研究对象,分析凸头、沉头两种紧固件连接下复合材料板间共固化、胶接和分离三 种装配形式的钉载分配特性以及不同装配形式对钉传载荷的影响;利用应变电测法测量连接区钉孔的应力分 布;采用 ABAQUS软件建立三维有限元实体模型,对钉群的钉载分配行为进行仿真分析及试验验证。结果表 明:除沉头铆钉复合材料板共固化连接件的钉载分配呈加载端至支反端逐渐递减的阶梯状外,其他各形式连接 件的钉载分配皆呈两边高、中间低的浴盆状,仅各排钉载所占比例有所区别;复合材料板分离件各排钉载差距 最大,胶接件次之,共固化件差距最小。     

考虑钉头传载的阶梯搭接钉载分配特性

确定钉载分配比例是机械连接强度分析的基础和关键,也是研究孔周应力分布的前提。以某型飞机铝合金阶梯形搭接板螺栓群连接结构为研究对象,利用应变电测法初步测量了各排螺栓的钉载分配比例。随后通过ABAQUS有限元三维实体建模,考虑钉头传载及接触摩擦、螺栓预紧、材料非线性、防弯夹具等因素,对螺栓群的钉载分配行为进行了模拟。计算发现：阶梯形搭接板多钉连接的钉载分配比例呈两端大中间小的规律,且台阶高度是影响钉载分配比例的重要因素。在此基础上,进一步研究了台阶高度对钉载分配均匀性的影响。分析结果表明：阶梯形搭接板多钉连接处于弹性范围以内时,随着台阶高度的增加,钉载分配趋于均匀;结构产生塑性变形后,随着台阶高度的增加,钉载分配先趋于均匀后随之变差。最后,基于钉载分配与孔边最大应力,对阶梯搭接多钉连接的几何构型进行了优化。优化后阶梯搭接的钉载分配比例极差不超过1.1%,最危险部位的孔边最大应力及螺栓最大剪切应力分别减小了约4.4%与10.2%。     

新型金属/复合材料混合连接结构试验研究

为提高金属与复合材料混合连接结构的力学性能,提出一种金属与复合材料之间的新型连接方法。通过在金属与复合材料搭接区铺设胶膜,同时嵌入若干贯穿被连接件的金属细针,从而使得胶膜与细针共同传递被连接件之间的载荷。为探明和揭示该新型连接方法的优越性,制作了相应的试验件并开展了力学性能测试。通过分析试验过程中的载荷-位移关系以及试验件破坏模式,发现新型连接方法显著提高了金属与复合材料连接结构的破坏载荷、破坏应变及能量吸收能力。若将该新型连接方法应用于航空航天工程,将提高复合材料连接结构的承载效率,降低结构重量。此外,该连接方法还降低了接头破坏的突发性,从而有利于结构缺陷的检测。     

Reduction in clamping force due to applied longitudinal load to aerospace structural bolted plates

The main purpose of the present work is to experimentally and numerically study why and how the magnitude of the bolt clamping force reduces in the aerospace structural bolted plates when they are subjected to a longitudinal tensile load. In the experimental method, a holed plate of aluminium alloy 7075-T6 was clamped using a single bolt fastener, and then tested under an increasing static longitudinal tensile load. The bolt clamping magnitude was determined by using the measured axial compressive strains of a steel bush placed between the nut and plate. Two clamped specimens with different initial clamping forces were studied. In each specimen the actual clamping forces were determined during the longitudinal loading on the plate. In the numerical method, a three-dimensional (3D) finite element model was generated in order to simulate and quantify the bolt clamping force in the plate model loaded in tension. Both experimental and numerical results showed that the clamping force reduces considerably in the aluminium bolted plates under the longitudinal tensile loading. This is because of the transverse contraction of the plate material that causes the clamped material to release from the initial compression, and as a result, the clamping force to relax.     

不同装配方法对LY12CZ铝合金典型螺接件腐蚀疲劳性能的影响

 研究了LY12CZ 铝合金板材的3 种螺接型式、12 种防护处理,并经环境加速试验的典型螺接件的疲劳性能,提出了几种较适用的螺接结构细节防护方法。试验结果表明,环境严重降低螺接件的疲劳性能。采用适当的细节防护措施,可提高结构的抗环境损伤性能,疲劳性能一般有不同程度提高。其中,采用3 号船用润滑脂安装和底漆湿装配是比较有效的方法,与未经防护处理的试验件相比,其在试验环境中的疲劳寿命分别提高78.36 %和83.45 %,DFR 值分别提高15.09 %和15.88 %。     

Bolt insertion damage and mechanical behaviors investigation of CFRP/CFRP interference fit bolted joints

Interference fit has advantages in improving fatigue behaviors of composite bolted joints; however, interference fit bolt insertion tends to cause damages in laminates weakening joint mechanical properties. Therefore, an experimental study was conducted to investigate bolt insertion damages of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)/CFRP interference fit bolted joints. Mechanical behaviors of joints were also evaluated experimentally under both quasi-static loads and cyclic loads. Scanning Electron Microscope (SEM) and high-resolution X-ray micro-CT scan were used to examine micro damages in laminates. Damage and failure behaviors of joints were characterized. The results demonstrated that the hole entrance in upper laminate and the laminate boundary near the hole wall were the most critical regions for damages during bolt insertions. However, the influence of those damages on quasi-static failure loads and fatigue failure modes of joints was minimal. Delamination and matrix cracking occurred first in laminates following fiber and matrix fracture in quasi-static tensile tests. Interference fit could improve the fatigue resistance of the laminate hole; however, the bolt seemed to suffer a more critical local fatigue loading condition. This paper can contribute to composite structure designs, especially in understanding damage and failure behaviors of composite bolted joints.     

过盈配合对复合材料多钉连接强度的影响研究

过盈配合能改善复合材料连接结构载荷分配的不均匀程度,对过盈配合进行分析研究能为过盈配合在复合材料多钉连接中的设计应用提供工程参考价值。对一列三钉复合材料连接结构进行二维分析,通过改变接触关系来模拟过盈配合,并利用ABAQUS软件中的USDFLD子程序对结构进行损伤分析,从损伤机理出发,揭示过盈配合结构的损伤形态形成原理,研究过盈配合在结构损伤过程中对螺栓载荷分配的影响变化规律,及其对连接结构初始破坏强度和极限强度的影响。研究结果表明：适当的过盈配合能够实现载荷分配的均匀化,提高结构的初始破坏强度;过盈配合对结构极限强度的影响不大。     

不同载荷下螺栓法兰连接结构非线性刚度影响因素

为研究各影响因素对螺栓法兰连接结构非线性刚度的影响规律,建立了带升角螺纹连接结构精细有限元模型,进行了全六面体网格划分,并验证了模型的有效性,分别进行了拉伸、弯曲、扭转载荷下仿真分析。结果表明:螺栓初始预紧力越大,连接结构抗弯、抗扭刚度越大,初始预紧力对抗拉刚度没有影响,拉伸载荷下初始预紧力提高了两法兰分离的临界阻力,弯曲载荷下,初始预紧力越大,触发两法兰出现开口状态的外部弯曲力矩值越大,各螺栓越不容易承担外力,两法兰开口前,初始预紧力对连接结构抗弯刚度影响较小,开口后影响较大;螺栓直径越大、个数越多,连接结构抗拉、抗弯、抗扭刚度越大;螺栓位置越靠近法兰筒,连接结构抗拉刚度越大,分别存在一个最优螺栓位置值,使得连接结构抗弯和抗扭刚度最大;结合面间摩擦因数对连接结构抗拉、抗弯刚度没有影响,结合面间摩擦因数越大,连接结构抗扭刚度越大,其中法兰-法兰结合面间摩擦因数对刚度曲线第一段内抗扭刚度影响较大,螺栓-法兰结合面间摩擦因数对第二段内影响较大。      

复合材料单排多钉接头疲劳损伤失效试验

针对T300/BMP-316复合材料层合板单排三钉双剪连接接头进行了静拉伸与拉-拉疲劳试验研究,考虑了三钉接头的三种几何尺寸及有无拧紧力矩两种工况对其力学性能的影响.为对比三钉与单钉螺栓接头的力学性能差异,对单钉螺栓接头也进行了试验.为了解层合板双剪接头螺栓孔随着载荷增加的变形情况,对螺栓孔的径向伸长变形进行了测量.结果表明:三钉接头的破坏形式与接头的尺寸密切相关;用单钉接头的力学性能来表征多钉接头的力学性能存在一定的误差;试验得到了螺栓孔变形与载荷增加的关系曲线.