干涉量对复合材料层合板疲劳寿命的影响

试验研究了干涉配合连接和间隙配合连接的复合材料板疲劳寿命的差异.验证了采用干涉配合连接的复合材料板的疲劳寿命远高于采用间隙配合连接的复合材料板的疲劳寿命,得出了不同的干涉量对复合材料板疲劳寿命的影响等,并得出其最佳干涉量为0.82%～0.98%.     

层板双孔过盈配合问题

 复合材料结构广泛采用机械连接。由于孔轴配合中存在间隙,影响多孔连接的内力分配和接头强度。螺栓连接的过盈配合和铆钉连接都能消除间隙,但这样就造成孔轴相互挤压,因而引起应力,并可能造成局部损伤。本文探讨层板双孔过盈配合引起的应力,及讨论过盈配合应用的可能性。     

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。     

基于ABAQUS复合材料双搭接钉载均匀化分析

利用ABAQUS6.8软件建立复合材料单排三钉双搭接三维有限元模型,通过施加螺栓载荷模拟螺钉预紧力,考虑钉板间非线性接触以及接触部分的弯曲变形,选择使用八节点非协调实体单元对钉载进行模拟计算。结果与试验基本一致,验证了该三维有限元模型的有效性。基于该模型通过在大载荷孔上使用间隙配合,小载荷孔上施加干涉配合,使各钉载荷分配均匀化。     

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。     

复合材料机械连接钉载分配有限元模拟方法研究

以一列三钉复合材料连接为例,采用节点绑定法、梁元法、弹簧元法以及基于独立网格技术的Fasteners单元法模拟螺栓;壳元和三维实体单元模拟复合材料板,建立了复合材料机械连接有限元模型,计算了不同模型下的钉传载荷和钉载分配比例,并分析了不同简化模型的计算精度。研究结果表明,基于Bushing属性的Fasteners单元法是计算复合材料机械连接钉载分配的有效方法。     

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.     

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.     

内锥衬套高锁螺栓性能及接头疲劳寿命研究

针对研制的内锥衬套高锁螺栓进行性能试验,开展复合材料/金属双搭多钉连接接头静力和疲劳试验及接头失效分析。结果表明,研制的内锥衬套高锁螺栓抗拉、双剪、疲劳及冶金性能合格,拉伸断口显微特征为韧窝。复材/铝合金多排钉连接接头间隙配合钉载比例差为41%,干涉配合钉载分配比例差为34.7%(1.0%的相对干涉量下);复材/钛合金接头间隙配合钉载分配比例差为43.3%,干涉配合钉载分配比例差为37.7%(1.0%的相对干涉量下),干涉配合可以提高钉载分配的均匀性。复材/铝合金接头干涉配合的疲劳寿命约为间隙配合的1.7倍,复材/钛合金接头干涉配合的疲劳寿命约为间隙配合的3.4倍。间隙配合连接的断裂试样主裂纹萌生于孔壁和试件表面,干涉对孔壁有强化作用,其主裂纹萌生于试件表面孔角和孔壁。7050铝合金呈现解理和韧窝的混合特征,TA15显微显示为准解理断裂,存在少量等轴韧窝和河流花样。     

Multi-scale strength analysis of bolted connections used in integral thermal protection system

Efficient and accurate strength analysis of bolted connections is essential in analyzing the integral thermal protection system(ITPS) of hypersonic vehicles, since the system bears severe loads and structural failures usually occur at the connections. Investigations of composite mechanical properties used in ITPS are still in progress as the architecture of the composites is complex. A new method is proposed in this paper for strength analysis of bolted connections by investigating the elastic behavior and failure strength of three-dimensional C/C orthogonal composites used in ITPS. In this method a multi-scale finite element method incorporating the global–local method is established to ensure high efficiency in macro-scale and precision in meso-scale in analysis.Simulation results reveal that predictions of material properties show reasonable accuracy compared with test results. And the multi-scale method can analyze the strength of connections efficiently and accurately.     

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.     

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。     

基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接失效模拟

将ARLEQUIN方法应用于螺栓连接件的挤压失效模拟中，将连接件层合板分为孔边局部损伤区、无损伤区和过渡区。局部损伤区精细化划分网格，无损伤区采用粗网格划分，过渡区通用ARLEQUIN方法将损伤区和无损伤区进行耦合。采用用户自定义单元在ABAQUS中引入ARLEQUIN方法，实现了基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接的三维有限元失效模拟。建立了传统有限元模型和ARLEQUIN模型，并与试验结果进行了对比，表明在保证与传统有限元模型相同计算精度的情况下，采用ARLEQUIN方法进行复合材料螺栓连接失效模拟大大降低了计算资源，具有更高的效率。     

TC4钛合金紧固件孔E-I强化研究

 介绍TC4(Ti-6Al-4V)钛合金螺栓孔无衬套冷胀孔干涉配合综合强化的研究结果。实验证明,在给定的条件下,冷胀孔强化的TC4板状空孔试件的疲劳寿命增益系数(LIF)为13,干涉配合螺栓连接的LIF=3,而E-l强化件的疲劳寿命比单纯干涉配合又有成倍提高。电镜断口分析表明TC4合金强化件的疲劳裂纹的形成和扩展与LY12CZ及30CrMnSiA相似,它们不表现为典型的角裂纹,即沿板平面和厚向扩展速率有明显差异。对于TC4合金,在改善疲劳品质上,带衬套冷胀孔强化比无衬套冷胀孔强化好得多。     

多钉连接初始破坏强度的工程方法研究

采用有限元方法对复合材料层压板多钉机械连接载荷分配及其承载能力进行了研究,以一列三钉为例对比工程计算中提出的直接计算法与载荷比例法求解多钉连接初始破坏载荷的计算精度及适用范围,得出的结论对复合材料层压板多钉机械连接设计具有一定的工程参考价值.     

带有安装边螺栓连接结构的机匣包容能力研究

为了研究带有安装边螺栓连接结构的机匣对断裂叶片的包容能力,截取环形机匣中的安装边螺栓连接结构,开展有限元仿真和冲击试验。首先,使用LS-DYNA软件建立有限元模型,研究撞击角度、撞击位置、定距套和止口对机匣安装边螺栓连接结构抗冲击能力的影响。仿真结果表明：撞击位置、撞击角度、定距套和止口都对结构的抗冲击能力有显著的影响,当叶片撞击在单侧机匣的安装边位置时结构的抗冲击能力最弱,定距套和合理的止口设计都能够有效提高结构的抗冲击能力。然后,通过机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击试验,验证了数值仿真方法的准确性和可靠性,为数值仿真结论的有效性提供了依据。最后,通过数值仿真分析了螺栓断裂过程,并结合试验分析揭示了螺栓发生剪切断裂和拉伸断裂的原因。     

盘一盘螺栓连接结构模态频率分析

基于ANSYSWorkbench软件,采用层单元法和多点约束技术,模拟了盘一盘螺栓连接结构的螺栓预紧力,对其进行了模态分析,并与试验结果进行了比较。研究表明：采用层单元法模拟螺栓预紧力的模态结果与试验结果吻合较好,为在预紧力作用下螺栓连接结构模态频率的有限元计算提供了1种有效方法。     

拉伸板中心孔干涉配合对载荷幅值的影响

为研究干涉配合中被连接件最小截面（SCS）所传递载荷（截面载荷）的幅值得以降低的原理,按一定规律对销钉与板进行分区,并将其用同等刚度的弹簧代替,建立了销钉干涉配合的弹簧分析模型,进而从弹性角度解释了干涉配合中板的最小截面所传递载荷的幅值得以降低的原因。基于该模型分析了静载下截面载荷随外载的变化规律,得到了循环载荷下截面载荷幅值与外载幅值间的关系,其与有限元分析（FEA）结果之间的最大误差不到20%。分析发现：连接件与被连接件间的接触力随外载变化的自动调节作用是截面载荷幅值降低的原因;对于特定的绝对干涉量,干涉配合只对一定范围内的外载具有调节作用。当外载在干涉配合的有效影响区时,截面载荷幅值的降低程度完全决定于连接件与被连接件的相对刚度;若外载过大使得钉孔发生分离,干涉配合不仅对载荷幅值不再具有调节作用,还容易引起钉孔接触面的微动磨损。