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。     

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.     

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。     

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。     

复合材料层合板沉头螺栓连接结构失效机制

为研究层合板沉头螺栓连接结构失效机制,采用单搭接连接结构,选择合适的退化方式及失效判据,建立三维有限元模型,针对单钉、双钉、三钉连接结构研究紧固件数目以及不同镬窝角度对连接结构强度与疲劳寿命的影响。仿真结果与试验基本吻合,在考虑紧固件失效时,结果表明:沉头螺栓在刚度上有一定优势,其较大的螺栓头对层合有面外约束,可以抑制单搭接结构次弯曲,从而提高连接刚度。从紧固件数目和沉头角度对静强度的影响上来看,在沉头角度一定的时候,极限载荷基本与钉数成正比。在钉数相同的时候,沉头角度对极限载荷的影响并不明显,镬窝没有显著降低极限载荷,而且在刚度上还有所提升。从疲劳寿命的对比可见,沉头角越小疲劳寿命越大。从影响因素来看,预紧力对沉头螺栓连接影响很小,小端距结构会出现边缘效应,层合板端部易出现损伤。     

金属和复合材料紧固件连接柔度解析计算研究

针对现代大型客机结构典型的紧固件连接形式,利用解析算法计算金属与复合材料单钉单剪搭接和单钉双剪搭接连接件的载荷-变形特性(P—δ曲线)和单钉连接柔度,并与试验结果对比,验证解析算法的可行性,作为多钉连接件钉载分配、细节应力分析和飞机结构强度计算的基础。     

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。     

单钉机械连接孔边应力及失效分析

采用非线性Gap单元建立了复合材料层合板单钉连接有限元分析模型,并对五种不同铺层比例的层合板进行了计算,同时,还运用Hoffman失效判据对层合板进行了失效分析.根据计算结果分析了铺层比例对孔边应力分布、钉孔接触力分布和孔边失效系数的影响,得出最优铺层比例方案,其结论对复合材料层合板单钉机械连接设计具有一定的工程参考价值.     

基于ANSYS的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真

应用ANSYS参数化设计语言(APDL)开发复合材料层合板机械连接结构的ANSYS分析模块,实现有限元分析前处理过程的参数化建模和后处理过程的累积损伤可视化仿真。建立三维累积损伤有限元模型,采用ANSYS中柔体对柔体的面—面接触单元对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行模拟。进行的T300帘子布/QY8911双马来酰亚胺树脂层合板单钉单搭螺栓挤压强度试验验证此分析模块的有效性,对不同几何参数、不同铺层类型的复合材料层合板机械连接结构的承载性能进行可视化仿真模拟。     

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。     

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%。     

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。     

复合材料层板钉群连接载荷分配计算方法研究

采用有限元方法对复合材料层板钉群机械连接载荷分配进行了研究,考虑钉弹性与层板厚度的影响,文中针对两种计算钉群载荷分配的工程化计算模型进行了对比分析,指出本文所采用模型的合理性,并以单排三钉为例通过计算结果与试验结果对比,证明本文所提出的计算模型有效,且计算精度高,使用方便.本文研究了搭接形式以及钉间距对钉载荷分配的影响,并对航空结构中常见的几种规则与非规则排列钉群连接载荷分配进行了分析计算与研究,得出的结论为复合材料层板多钉连接设计提供了有用的工程参考价值.     

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...     

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。     

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。     

基于弹簧质量模型的复合材料螺接修理载荷传递计算方法

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础上,针对蒙皮和补片等宽的情况,提出了一种复合材料螺接修理结构载荷传递比例计算方法。通过引入载荷按刚度分配的原则对模型进行修正,将模型进一步推广到蒙皮宽度大于补片宽度的情况。然后讨论了模型中不同弹簧刚度的计算方法。给出了采用细观力学方法以及均匀化方法等计算含损伤蒙皮等效刚度的计算方法,推导得到了规则排列多列螺栓连接中各排螺栓等效刚度的计算方法,并证明该刚度满足叠加原理。最后,以含圆形损伤孔的复合材料蒙皮板的螺接修理问题为例,对模型进行了考核,并与有限元法（FEM）预测结果进行了对比。结果表明：模型预测结果与有限元结果吻合较好,预测误差最大为7.7%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料螺接修理的分析设计。     

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.