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。     

基于三维模型的复合材料层合板单钉螺栓连接件力学性能分析

在给定位移载荷作用下,基于复合材料层合板单钉螺栓连接三维有限元模型,通过编写材料失效准则和刚度退化规则的ABAQUS用户子程序UMAT,实现了未考虑预紧力时配合间隙、开孔形状以及采用不同螺栓材料时预紧力对连接件力学性能影响分析。     

复合材料层合板螺栓连接失效分析

利用ABAQUS软件,加入失效分析程序对层合板螺栓连接挤压强度进行分析.本文提出一种合理的材料刚度退化方法模拟材料失效过程,计算中采用Hashin准则为失效判据,考虑了接触关系,材料逐步失效以及几何非线性等因素.研究结果表明,对压缩失效与拉伸失效采用不同的刚度退化方法能较准确地描述材料失效状态;孔径与板厚度比(D/t)对螺栓孔挤压强度影响较大,随着D/t值减小,螺栓孔挤压失效区域向螺栓孔中心线位置集中.     

不同预紧力分散度条件下螺栓止口连接组件有限元分析

螺栓止口连接是航空发动机中常见的连接形式,在现有工艺技术条件下,螺栓预紧力往往存在较大分散性,加剧了航空发动机力学性能的波动。利用ANSYS Workbench有限元软件对不同预紧力分散度条件下的螺栓止口连接结合面Von Mises等效应力分布及组件刚度进行了仿真计算。按照工程经验设置了5组预紧力分散度值,并针对每组分散度随机生成一组对应的螺栓预紧力数值,实现对工程实际中预紧力分散度情况的模拟。然后分析了结合面的应力分布情况,通过对组件分别施加轴向载荷、径向载荷和扭转载荷,获得了组件轴向刚度、径向刚度、扭转刚度变化曲线,最终得到预紧力分散度对螺栓止口连接组件刚度的影响规律,为预紧力分散度的控制提供了理论参考依据。     

带预紧力螺栓连接的机匣刚度分析

为了很好的模拟螺栓连接对发动机机匣刚性的影响,利用ANSYS非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真计算,利用轴向力模拟了螺栓的预紧力,通过一系列不同的螺栓预紧力的计算,得到了机匣弯曲刚度与螺栓预紧力的关系曲线,并分析了螺栓连接对发动机机匣刚性的影响,为复杂结构中的螺栓连接简化提供了可靠的依据。     

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。     

航空结构螺栓连接预紧力设计研究

分析了航空结构的螺栓连接受力并推导了螺栓载荷、螺栓刚度、被连接件刚度等计算公式,分析了螺栓载荷在结构加载过程中的变化规律,讨论了螺栓预紧力对连接结构疲劳寿命的影响,给出了螺栓预紧力的参考取值及其范围,可供结构强度工程设计人员参考使用。     

铺层比例对层合板连接结构损伤特性影响分析

复合材料螺栓连接结构,其铺层比例、铺层顺序对整体结构连接效率具有重要影响.基于ABAQUS有限元软件平台,对其进行二次开发定义材料损伤退化方法,建立三维渐进损伤模型对不同铺层比例复合材料层合板螺栓连接结构的损伤扩展及破坏特性进行数值模拟分析,计算结果与验证试验结果吻合较好.分析仿真与试验结果表明:对于CCF300/BA9916Ⅱ型复合材料层合板螺栓连接结构,铺层比例对结构连接效率有重要影响,合理确定±45°层比例可以显著提高孔边应力集中区的抗挤压和抗剪切能力,有效改善连接结构的破坏模式;在±45°层比例增加到50％之后,复合材料层合板螺栓连接结构的连接强度将不再显著提高.     

航空发动机螺栓连接载荷与结构参数对连接刚度影响规律

从航空发动机复杂螺栓连接结构的特殊性出发,根据不同连接形式的螺栓连接结构轴向应力分布,提出了航空发动机复杂螺栓连接结构的连接刚度理论表达式,并进一步研究了航空发动机螺栓连接载荷、结构参数对连接刚度的影响规律。研究结果表明:当螺栓个数n在4~30之间变化时,双层的无量纲连接刚度K在8.9~66.8之间线性的变化;当螺栓预紧力F_p较小时,无量纲连接刚度K随着螺栓预紧力F_p的增加缓慢增加,当预紧力F_p增加到27.5k N时,双层的无量纲连接刚度K为27,且趋于稳定;并且n,F_p对无量纲连接刚度K的影响还与锥形半角α有关。     

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

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...     

飞行器典型结构的热适配分体螺栓连接技术

由于复合材料与高温合金的热膨胀系数差异,导致在高温环境下采用高温合金机械连接件的复合材料组合构件发生预紧力降低。为解决高超声速飞行器热部件的连接难点、保证热结构的高温可靠性,对复合材料部件与高温合金螺栓的连接进行了研究。对一种采用分体式热适配螺栓的方法进行了相关的理论推导,采用典型单元进行的数值模型仿真表明了结果趋势的一致性良好。采用C/SiC局部端框的典型试验表明,这种新的连接设计在不改变以往常规连接强度性能的情况下,可以将820℃条件下的高温剩余预紧力由大约14%有效提升至80%。     

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-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。     

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。     

接触特性对非连续性转子热致振动的影响

针对燃气轮机转子的非连续性结构间存在的接触特性,根据微凸体理论引入接触刚度和接触热阻的等效模型,建立了某型燃气轮机非连续性转子的动力学模型,分析了接触参数对转子稳、瞬态动力学特性的影响,研究了螺栓松动引起的转子热变形及其对转子快速启动过程中振动特性的影响.结果表明:预紧力、接触面的表面粗糙度和螺栓个数对转子临界转速有一定的影响,螺栓松动导致转子在启动过程中瞬态热变形最大达到7μm,过1阶临界转速时引起的转子最大响应幅值增大约30μm.在非连续性转子系统的热致振动特性分析当中,不应忽视接触参数、接触刚度和接触热阻的影响.      

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。     

民用飞机延性金属结构局部高应力静强度研究

针对民用飞机大量使用的延性材料2024-T42和7050-T6的标准试样和开孔试样在拉伸载荷下的失效模式及失效载荷进行了试验研究,基于材料应力应变曲线建立了有限元模型并对其结果进行验证,提出了开孔金属结构局部高应力下的静强度判别准则。试验结果表明:孔折减系数起决定性影响的是材料的屈服应力与极限应力之间的差值,差值越大,孔折减系数越小;在此基础上研究孔边单元的网格质量(粗网格和细网格)及孔边埋头窝对有限元分析结果的影响,分析结果表明:孔边的网格质量(粗网格和细网格)和埋头窝对孔折减系数影响较小,所建立的延性金属结构局部高应力静强度判别准则合理且具有工程价值,对于2024-T42和7050-T6两种延性材料利用该局部高应力静强度判别准则进行计算的保守裕度分别为0.1和0.04。     

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...