复合材料结构凸头多钉连接钉载分配研究进展

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更是由于存在钉载分配不均匀性而大大降低了其连接的强度.通过研究复合材料连接结构钉载分配,找出钉载分配规律及其影响因素,合理设计连接结构而使载荷分配均匀化,对于提高多钉连接结构的效率有着重大的工程意义.     

维修扩孔对碳纤维复合材料层合板与金属板双钉连接强度的影响分析

复合材料双钉连接结构的复材孔周由于载荷分布不均、应力状态复杂而易于损伤破坏，开孔区域通常是连接结构的薄弱环节，飞机结构维修时一般将连接孔圆整为标准尺寸来恢复其结构强度，对此研究双钉扩孔维修后的载荷分布规律及影响因素，对结构部件保证适航性和提高连接效率具有重要意义。本文以复合材料/铝合金连接结构为研究对象，通过ABAQUS软件建立了嵌入Hashin失效判据和改进Camanho刚度折减系数的双钉单剪连接三维渐进损伤分析模型，并进行了试验验证，着重分析了不同维修孔径组合对双钉单剪连接的拉伸静强度及损伤的影响。结果表明，有限元分析得到的载荷-位移曲线和失效模式与试验结果基本吻合，最大误差为8.9%；靠近加载端的螺栓D₂的载荷高于靠近金属板固定端的螺栓D₁；按标准连接参数增大D₂直径（W/D₂减小）可以改善双钉连接孔边应力集中，提高初始强度和极限强度，过大的D₂直径会减小复材板的净横截面积，导致连接强度下降；摩擦系数增大会延缓复材板初始损伤的发生，导致整体刚度衰减显著延缓。     

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。     

胶螺混合连接在复合材料结构中的研究进展

复合材料胶螺混合连接由于同时具备螺栓连接和胶接的优点,在航空航天领域得到了广泛的关注。本文总结了国内外胶螺混合连接在复合材料结构中的研究进展。以均衡载荷分配、提高承载能力为目标,分别从复合材料修理与损伤容限、成型工艺与传力路径、参数影响与载荷分配、胶层剥离抑制与多钉载荷分配以及承载能力预测等方面介绍了胶螺混合连接结构的研究现状及相关成果,指出目前胶螺混合连接结构存在的问题以及可能的解决方案与发展方向,可为胶螺混合连接在复合材料结构中的进一步应用提供参考。     

基于子模型方法的钉群连接结构强度分析研究

为了准确高效的进行飞机复合材料钉群连接结构的损伤分析和强度预测,研究了子模型方法在复杂连接结构分析中的应用技术,构造了包括总体模型和两级子模型的钉群连接结构分析模型体系,提出了子模型中螺栓连接结构的建模策略和复合材料结构损伤模拟的方法,确立了对应于损伤模式的结构破坏判据。采用本文提出的方法对波音787复合材料壁板进行接...     

一种非线性模型下的复合材料螺栓连接失效分析

复合材料螺栓连接结构已广泛应用于飞机结构件,研究其拉伸失效问题具有重要意义。结合Hashin失效准则、能量耗散率方法、Puck失效准则和材料损伤连续退化方法,建立一种包含面内损伤和层间损伤的复合材料三维非线性模型;将含开孔层合板准静态拉伸试验结果与有限元数值模拟结果进行对比,两者之间的应力应变响应及最终断裂失效模式一致,证明该本构模型是有效的;在此基础上,对复合材料单钉双搭接螺栓连接结构进行拉伸失效分析。结果表明:数值模拟所得位移载荷响应与试验结果吻合良好,极限拉伸载荷误差不超过5%,满足工程应用要求;加载过程中的孔边变形和损伤累积使得螺栓连接结构整体刚度下降,其最终破坏模式为中搭接板挤压失效。     

层合板多钉连接载荷分配均匀化方法

采用三维有限元方法,对不同钉孔配合下复合材料与金属铝板多钉双搭接的载荷分配进行计算,结果表明,通过在大载荷孔上采取间隙配合及小载荷孔上施加干涉配合的方法可显著影响多钉连接载荷分配,使得各钉载荷趋于均匀.     

复合材料螺接性能的影响因素研究

 利用有限元软件ANSYS建立了单钉双剪复合材料单拉接头的1/2模型,研究了钉孔配合、螺栓预紧力和接触面间摩擦对接头的强度等性能的影响。设计了若干实验,证明有限元模型是有效的,其计算误差控制在10%以内。有限元计算结果表明:小干涉量的过盈配合能极大地提高接头的强度,与3%间隙量相比,最优干涉量下接头强度可提高36.5%;适当的螺栓拧紧力矩也可提高接头的强度;接头中被连接板间的摩擦对接头强度也是有利的,但在一定接头尺寸条件下,摩擦力的增大有可能会改变接头的破坏模式。以上研究成果为复合材料多钉连接钉载分配均匀化的参数化分析提供了一个突破口,这也是本文后续研究的一个内容。     

复合材料机身壁板的纵向连接设计与失效分析

按照连接设计准则及机身压差载荷水平,开展了复合材料机身壁板的纵向连接设计研究。为提高壁板多钉连接结构分析精度及设计效率,发展了一种基于Fastener单元的钉群载荷计算方法,在此基础上结合单钉失效分析模型,提出了一种壁板多钉连接区的失效评估方法。首先,通过与试验数据对比,验证了采用Fastener单元求解钉群载荷的可行性;然后运用Fastener单元分析壁板连接结构的钉载分配;最后基于钉载分析结果,对局部危险区域采用单钉模型进行失效载荷计算并进而评估壁板连接区的失效载荷。本方法特别适用于快速、有效地校核多钉连接区的连接强度。     

飞机结构多钉连接有限元计算与分析

多钉连接是飞机零部件的常用连接方式,而飞机结构的破坏也多源于这些连接细节,确定各紧固件所传递载荷是连接件强度校核的关键。基于MSC．NASTRAN有限元分析软件,用四种简化模型计算分析单搭接多排钉连接结构的钉载分配,并对其进行对比研究。结果表明：采用cBAR／RBAR／cBusH组合单元模拟紧固件可准确计算钉载,适于飞机结构连接强度分析;与紧固件组钉载分配工程估算方法相比,采用该组合单元有限元方法可有效提高计算精度。     

单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接结构的疲劳性能研究

通过疲劳试验研究了单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接结构的疲劳性能,分别考虑了紧固件类型、干涉配合量、搭接板材料及铺层次序等影响因素。采用了拉压疲劳试验,拉压比R=-1,循环应力水平则根据静载极限挤压强度值选定。根据疲劳试验循环应力和疲劳寿命曲线(S-N曲线),得到了不同影响因素对疲劳寿命的影响规律。结果表明,选择适当的干涉配合量、紧固件类型及搭接板均能提高结构的疲劳寿命,4种不同主板铺层次序均对结构疲劳寿命影响不大。     

Interference-fit riveting technique in fiber composite laminates

Interference strengthening technology is a common method of improving the fatigue life of metal assemblies, and is particularly used to prolong service life of metal structures. Composite materials have lower interlaminar strength and lower stretch ratio making it difficult to implement interference-fit joining, especially interference-fit riveting. The primary difficulty is controlling the interference to prevent damaging to the composite structure. The expansion of the rivet shaft by conventional riveting techniques is non-uniform and easy to damage the composite structure. Hence, interference-fit riveting is not recommended in composite structures. However, experimental results have shown that interference strengthening technology can be effectual in composite structures. The paper describes an electromagnetic riveting (EMR) technique which can create a well-distributed shaft expansion, and can be used to conduct interference-fit riveting in composites structures. This paper gives out that using an especial washer and appropriate clearance between shaft and aperture wall can restrict shaft expansion and prevent damaging to composites, and also studies the configuration of the washer and the clearance of riveting composite laminates. The paper also reports on an investigation involving a comparison of shaft expansion between hydraulic squeeze riveting and EMR. The experiments show that EMR technique can achieve an interference-fit riveting in fiber composite structures.     

Modeling on mechanical behavior and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under thermal effects

This paper reports the modeling method and outcomes of mechanical performance and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under extreme temperatures. The anisotropic continuum damage model involving thermal effects is established on continuum damage mechanics which integrates the shear nonlinearity constitutive relations characterized by Romberg-Osgood equation. The temperature-induced modification of thermal strains and material properties is incorporated in stress-strain analysis, extended 3D failure criteria and exponential damage evolution rules. The proposed model is calibrated and employed to simulate behavior of composite joints in interference fitting, bolt preloading, thermal and bearing loading processes, during which the influence of interference-fit sizes, preload levels, laminate layups and service temperatures is thoroughly investigated. The predicated interfacial behavior, bearing response and failure modes are in good agreement with experimental tests. The numerical model is even capable of reflecting some non-intuitive experimental findings such as residual stress relaxation and matrix softening at elevated temperatures.     

基于渐进损伤有限元的复材厚板连接分析

针对复合材料厚板连接件,建立三维累积损伤有限元模型预测复合材料厚板连接件的挤压性能。对复合材料层板中的纤维失效、基体失效和分层等损伤类型进行分析模拟,预测厚板连接件的破坏模式及损伤扩展过程,并分析尺寸参数与复材厚层合板连接强度的关系。     

航空复合材料结构精密干涉连接技术综述

凭借在强度、韧性及寿命上的优势,复合材料尤其是碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）逐渐作为主承力结构应用于飞机产品,但由于极易产生连接损伤,其机械连接正面临"干涉破坏强度,非干涉降低性能"的矛盾。而其关键在于对干涉量的精密控制,即实现复合材料结构的精密干涉连接。针对此问题,本文分析了航空复合材料结构精密干涉连接的特点、难点与应用现状,并提出了航空复合材料结构精密干涉连接技术体系框架,重点归纳总结了航空复合材料结构精密干涉连接的三大核心问题：复合材料干涉连接孔周应力分析方法、干涉连接结构损伤萌生与扩展机理、干涉连接结构力学性能退化机制的学术发展脉络及现有问题,在此基础上,指出了未来航空复合材料结构精密干涉连接技术在模型、紧固件、工艺、材料等层面的发展趋势。     

M2飞机的复合材料机翼静强度载荷及试验研究

M2轻型运动飞机机翼结构采用复合材料,通过静力试验对其机翼强度进行验证,对发现机翼结构设计薄弱环节以及结构改型和发展具有重要意义。首先分析ASTMF2245-16机翼强度适航条款的要求;然后通过对M2飞机载荷包线、环境影响系数、限制载荷和极限载荷的研究,计算得到复合材料机翼载荷;最后进行机翼限制载荷静力试验、机翼极限载荷静力试验和机翼破坏载荷静力试验,并对试验结果进行分析。结果表明:M2飞机的极限载荷满足试验要求,复合材料机翼试验破坏载荷相对设计极限载荷的偏差为2%,M2飞机的复合材料机翼结构设计满足静强度设计要求。     

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.     

LY12CZ铝合金干涉螺接件微动损伤防护技术

 本文分析研究LY12CZ铝合金干涉螺接件的微动损伤防护技术。讨论了不同干涉量、表面处理技术、孔的加工方法及防护夹层对其微动损伤及疲劳寿命的影响。应用断口分析的方法研究了其微动损伤区的形貌、裂纹的起始部位及形式。提出了提高LY12CZ干涉螺接件疲劳寿命的方法。     

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。      

单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接件挤压强度研究

由于连接技术是复合材料连接结构设计中的关键环节,所以本文通过试验研究了干涉配合对复合材料单钉双剪连接件挤压强度的影响作用,并建立了能预测复合材料连接件挤压强度的三维有限元数值模型.该模型考虑了钉孔接触、渐进损伤以及大变形理论,并采用了Hashin失效判据以及Tan材料性能退化准则,研究了不同干涉量(0％,0.5％,3％)配合方式对连接强度和刚度的影响作用.结果表明适量的干涉能提高连接挤压强度,而3％的过量干涉配合降低了连接挤压强度,却有较高的挤压弦向刚度,与试验结果相比,吻合较好.