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。     

Tensile properties analysis of CFRP-titanium plate multi-bolt hybrid joints

Hybrid joints have better tensile properties than pure bonded and bolted bolts, and are increasingly used in the aerospace field. Tensile tests are carried out for the Hybrid Bonded/Bolted(HBB) joints of Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) laminate and titanium alloy plate under different bolt numbers, and the corresponding load–displacement curves are obtained. At the same time, based on Continuum Damage Mechanics(CDM) theory, which is derived from 3D Hashin failure criteria, and a Cohesive Z...     

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。      

预紧力对层合板螺栓连接强度的影响研究

预紧力的大小对连接件的连接强度具有较大的影响。在ABAQUS软件环境下建立层合板螺栓连接结构的三维有限元模型,引入改进的Hashin三维失效判据,并提出了一种新的结构刚度分区退化模型,分别计算了预紧力存在的条件下凸头螺栓和沉头螺栓连接情况下单搭接层合板的失效情况。计算结果与试验结果的对比表明：采用这种刚度退化模型的计算结果较为精确;预紧力对凸头螺栓连接和沉头螺栓连接的失效情况影响不同,合适的预紧力可以提高层合板的极限强度,过大的预紧力不利于结构的承载。     

剪切载荷下航空发动机螺栓松动行为及其临界值的数值模拟研究

为研究剪切载荷下螺栓连接结构松动行为,首先建立了多种螺栓连接结构精细有限元模型,进行了全六面体网格划分,并运用Yamamoto方法和Spowith方法验证了模型的有效性,然后通过多种模型仿真对比,分阶段首次研究了不同影响因素下塑性松动期、旋转松动期内以及整个松动期内的螺栓松动行为及其重要临界值.结果表明:剪切载荷下螺栓...     

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。     

机匣螺栓连接分区域薄层单元建模方法

机匣连接的螺栓预紧力大小对其动力学特性影响较大。为更准确反映其接触刚度随预紧力的变化情况,采用分区域薄层单元方法代替螺栓连接部分,并基于螺栓连接超模型刚度理论、赫兹接触理论以及M-B分形模型,推导出不同螺栓预紧力下分区域薄层单元的弹性模量,模拟机匣连接部分的轴向接触刚度,给出螺栓连接机匣简化建模方法。并以1个螺栓连接试验机匣为例,对比在不同螺栓预紧力下机匣仿真频率与模态试验频率,最大误差仅为2.83%。结果表明:分区域薄层单元建模方法能够有效地对不同预紧力下的螺栓连接机匣进行简化建模。     

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.     

热声载荷作用下薄壁结构非线性响应分析和试验验证

针对热声载荷作用下薄壁结构大挠度非线性响应问题，开展了固支约束金属薄壁板结构热声激励试验及数值模拟分析。通过计算结果与试验结果对比，表明两者结果存在一致性，进而验证了薄壁板在热声载荷作用下动态响应计算方法和数值模型的有效性。在此基础上，针对加筋板结构完成了多种热声载荷组合作用下的动力学响应计算，获得了时域位移响应。重点对该结构在后屈曲状态下的3种典型振动形式进行分析，总结出热载荷与声载荷之间的相对强度决定了板的不同跳变形式。采用统计分析方法建立了位移响应的概率谱密度函数（PDF）并绘图，清楚地显示了后屈曲板的PDF表现出双峰现象。使用功率谱密度（PSD）函数分析了响应频率和峰值随着温度升高的变化，并确定了板的软化和硬化区域。总结了屈曲前/后结构特定区域拉应力和压应力的变化规律，并阐述了造成这种变化的原因。本文工作可对热声载荷作用下薄壁结构响应分析和动强度设计提供参考依据。     

冲击载荷下单螺栓连接结构力学行为试验与仿真研究

基于霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)装置,对发动机结构设计中广泛使用的螺栓连接结构开展了冲击试验,研究了冲击载荷作用下单螺栓结构的承载能力、损伤模式和失效机理,掌握了冲击速度、预紧力、装配间隙的影响规律.在瞬态显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA中,对单螺栓连接结构...     

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。     

Failure mechanisms of bolted flanges in aero-engine casings subjected to impact loading

In this paper, a failure evaluation criterion was proposed for the bolted casing-flange structure under impact loading. Subsequently, ballistic tests with eighteen bolted casing-flange structure specimens were conducted to validate the failure evaluation criterion. Parameter studies were then carried out using the validated FE models. Both the experimental and numerical results demonstrated the accuracy of the failure evaluation criterion. The failure evaluation criterion provided a quick and easy way to determine the failure mode of the casing connection area by using the materials and dimensions of the structure. Based on the failure evaluation criterion, designing the structural failure mode of the bolted casing-flange structure to be between flange failure and bolt failure can improve the impact resistance of the connection area of the aero-engine casings. This investigation revealed that the impact failure is not the unique criterion in evaluating the containment of the casing connection area, structural failure should also be involved in the evaluation criteria.     

拉伸载荷下管路连接副的密封性分析

研究了航空发动机钛合金管路连接副在拉伸载荷下的密封性能.首先,建立了连接副的等效刚性模型, 分析其在拉伸载荷下的受力,研究了密封面的接触力随拉伸载荷的变化规律,从机理上分析了拉伸载荷下管路连接副的密封性.第二,建立了管路连接副在拉伸载荷下的多体弹性接触模型,并对其进行有限元分析.采用初始渗透接触法,实现连接副的预紧状态,在此基础上施加拉伸载荷,然后再进行有限元求解.同时,研究了连接副密封面的接触力、接触面积和接触应力随拉力的变化规律,从而定量地分析连接副的密封性.      

复合材料螺栓连接失效的数值模拟

作为一种重要的连接及承载形式,复合材料螺栓的连接性能直接影响到结构组件的承载可靠性.本文针对复合材料各向异性及渐进损伤特点,建立了包含复合材料螺栓及复合材料板的有限元模型.通过编制U-Mat程序,利用ABAQUS商用软件对复合材科螺栓连接的失效过程进行了数值模拟,得到了连接件的载荷-位移曲线,并对连接件的失效模式进行了分析.     

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。     

2.5D C/SiC复合材料带孔板拉伸破坏的多尺度模拟

为了研究2.5D编织陶瓷基复合材料带孔板的拉伸破坏行为,提出一种可以模拟带孔板细观破坏过程的多尺度计算方法。该方法根据2.5D编织陶瓷基复合材料的细观结构建立细观模型,通过子模型法将平板的宏观有限元模型和孔周围区域的细观有限元模型耦合在一起,然后采用渐进损伤计算方法完成带孔板破坏的多尺度模拟。计算结果表明,带孔板在拉伸载荷较低时出现初始损伤,随着载荷的加大经纱发生轴向拉伸破坏,纬纱发生横向的破坏。裂纹从孔边沿横向扩展至板的两端,最终整个板完全断裂失效。失效时的应变为0.375%,最大加载应力为221.7MPa。     

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.     

航空发动机安装边螺栓连接密封特性试验

通过试验的方法对影响安装边螺栓连接结构密封特性的因素进行了系统分析与研究,设计和搭建了安装边螺栓连接密封特性试验系统,研究了螺栓加载方案、预紧力和螺栓数量对安装边密封特性的影响规律。研究表明:JIS B 2251加载方案可以获得更均匀的预紧力,与其他方案相比,气体泄漏持续的时间长,达到600s,且加载工作量小;增大预紧力可使压力下降的持续时间增加,从6.0kN的400s至7.5kN的540s和9.0kN的650s;螺栓数量的增加使得t=0时刻的泄漏率从2.6cm3/s降到1.7cm3/s,从而提升试验件的密封性能。该研究可为安装边密封特性分析与结构设计提供参考。      

随机载荷作用下锥形螺栓干涉配合的疲劳寿命增益

介绍了以7475 T761铝合金为基材的锥形螺栓干涉配合和普通螺栓非干涉配合连接的犬骨形试件,在随机疲劳载荷谱作用下的疲劳试验。结果表明:锥形螺栓干涉配合与普通螺栓连接比较,疲劳寿命增益明显;应力水平降低,寿命增益倍数增加。锥形螺栓干涉提高疲劳寿命的主要原因是:(1)干涉使孔附近区域形成拉伸预应力,它可以降低外加疲劳载荷引起的交变应力幅;(2)锥形螺栓干涉使螺栓与孔之间的接触更均匀、更紧密,当有载荷传递时,其分布趋于均匀;(3)锥形螺栓干涉改善了孔壁的初始疲劳质量。     

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.