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。     

胶-螺混合连接结构强度分析及影响因素研究

为深入分析胶-螺混合连接结构强度及影响因素,利用ABAQUS平台建立胶-螺混合连接三维渐进损伤模型,采用界面层损伤判据及退化方法来模拟胶层的损伤破坏。首先,将胶-螺混合连接结构强度分别与胶接结构、螺接结构强度进行对比,详细阐释胶-螺混合连接结构与胶接结构承载机理及胶接区应力分布形式;然后,分析讨论钉头形式及宽径比对混合连接结构强度和损伤形式的影响。结果表明：胶-螺混合连接结构强度优于胶接结构和螺接结构,并得到了可有效提高结构强度的钉头形式及最佳宽径比。     

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。     

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。     

陶瓷基复合材料螺栓渐进损伤计算与强度预测

为了准确预测陶瓷基复合材料螺栓的强度及损伤演化过程,建立了陶瓷基复合材料螺栓有限元模型,并采用渐进损伤模型实现了陶瓷基复合材料螺栓的失效分析,形成通用有效的陶瓷基复合材料结构渐进损伤有限元仿真方法。计算结果表明：陶瓷基复合材料螺栓在载荷1129N时萌生损伤。加载到失效载荷（1459N）时,损伤沿着螺纹槽扩展至整个螺纹槽。最后,损伤从螺纹槽扩展至螺杆中心导致螺杆断裂失效。螺栓的破坏位置在螺纹接触最上面的螺纹槽处,螺栓断裂的主要原因是材料的Z向拉伸破坏。     

复合材料卫星承力筒连接结构分析

大型卫星承力筒的连接结构损伤是设计时必须要考虑的关键问题，以某碳纤维复合材料卫星承力筒的连接结构为研究对象，应用ABAQUS有限元软件建立复合材料层合板连接结构渐进损伤模型，并且根据Hashin失效准则及Tserpes材料性能退化准则，应用Fortran语言二次开发了UMAT子程序，研究承力筒层合板螺栓连接及胶螺混合连接的失效机制；在此基础上，利用仿真分析螺栓连接结构的刚度探究对卫星承力筒试验件力学性能的影响。结果表明：利用螺栓连接结构刚度进行仿真建模的卫星承力筒试验件结果更接近试验值，其误差相比于多点约束—MPC单元减小了4%～9%,说明此方法能更好地满足仿真分析要求。该分析方法为复合材料卫星承力筒连接结构的力学性能及多螺栓连接结构的有限元仿真分析提供一定参考，适用于具有连接结构的卫星力学分析。     

浸胶丝束拉伸强度统计分布研究

采用数理统计分析方法,定量比较浸胶丝束拉伸强度实验分布与理论正态分布和Weibull分布的偏离。结果表明,丝束强度分布受纤维种类和基体性能影响。在95％置信度下,浸胶丝束强度分布既可用正态分布描述,也可用Weibull分布描述;但随着基体韧性的提高,浸胶丝束强度分布呈现由正态分布向Weibull分布过渡的趋势。     

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。     

基于高温树脂传递模塑工艺的碳纤维/聚酰亚胺复合材料连接环制备与验证

根据连接环的结构特点,结合复合材料的力学特性及成型工艺要求设计了一种隔热/承载一体的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料连接环,采用高温树脂传递模塑成型（RTM）整体成型工艺制备了复合材料连接环样件。超声检测结果显示,连接环内部质量良好。常温静强试验结果表明,在150%使用载荷下,连接环能保持良好的结构完整性,其最大应变仅为-491.0 με,满足常温静强度设计要求。520℃严酷热载荷下的静热联合试验结果显示,连接环在118%使用载荷下发生根部连接螺钉断裂失效,连接环本体未出现明显残余变形和损伤,满足热强度设计要求。有限元分析结果显示,常温条件下复合材料连接环的应力危险点出现在孔边,破坏方式主要为孔边的挤压破坏和层间剪切失效,高温条件下复合材料连接环失效位置主要出现在其外侧隔热层及螺栓孔处,对结构承载能力影响较小。     

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。     

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...     

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.     

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。      

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。     

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%。     

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。     

Combined and interactive effects of interference fit and preloads on composite joints

The combined and interactive effects of the bolt-hole fit conditions and the preloads of the fasteners on the load carrying capacity of single-lap composite-to-titanium bolted joints have been investigated both experimentally and numerically. Quasi-static tests of the hybrid joints with different fit conditions are implemented, and a three dimensional finite element progressive failure analysis model is proposed to predict the influences of the bolt-hole fit conditions and fastener＇s pre- loads on the mechanical behaviors of the joints. Based on the experimental validated simulation method, a multi-factor, mixed levels orthogonal design table and the analysis of variance method are used to arrange the simulation conditions and to further study the interactive effects of preloads and fit conditions. Through the analysis of the results, for the researched double bolt, single-lap composite-titanium joints, it is found that： the effects of both the interference fit and the preloads change from positive into negative mode with the increase of the interference fit values or preload values; appropriate bolt-hole fit conditions and preloads can improve the bolt-hole contact conditions of the loaded joints, and then retard the fiber failures around the fastener holes, and increase the load carrying capacity of the joints eventually; the interactive effect of the bolt-hole interference fit conditions and preloads cannot be ignored and the parameters need to be considered together and synthetically as the joints are being optimized.     

玄碳混杂增强树脂基复合材料混杂比优化设计

对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强树脂基复合材料最优混杂比范围进行研究。以碳纤维与玄武岩纤维平纹织物为增强体,制备9种具有不同混杂比的混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP)试样,并进行拉伸实验。依据平纹织物结构特点,计算得出平纹织物单胞性能参数,在ANSYS中,以SHELL181壳单元体建立HFRP有限元模型。该模型对试样刚度的模拟值与实验值近似。分析模型受力时的应力云图发现,存在将HFRP破坏形式分为一次破坏与二次破坏的临界混杂比。有限元模拟研究树脂含量为45%时,不同混杂比的HFRP刚度、强度和拉伸极限应变。当混杂比为60%时,可保证HFRP强度无折减的情况下,较玄武岩复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)刚度提高93.4%,较碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)拉伸极限应变提高11.3%。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接接头抗冲击性能

为了研究Z-pin增强树脂基复合材料接头的抗冲击性能,制备了Z-pin增强单搭接接头冲击试样。对比不同树脂体系Z-pin/层合板界面裂纹扩展,分别通过Z-pin拔脱试验和接头剪切试验研究Z-pin冲击后拔脱强度和单搭接接头冲击后剪切强度;结合有限元模拟和超声C扫描研究搭接面分层损伤情况。结果表明,相同冲击能量下,环氧Z-pin/环氧层合板界面抗冲击性更强,冲击能量越大,裂纹扩展越显著;Z-pin增强树脂基复合材料显著减小分层损伤面积,提高冲击后剪切强度,体积分数为1.5%、直径为0.5mm的Z-pin增强层合板分层损伤面积仅为40%,冲击后剪切强度的下降率仅为24.89%。随着Z-pin体积分数增加,搭接面损伤面积逐渐减小,冲击后剪切强度先增加后降低;随着Z-pin直径增加,层间损伤面积增加,冲击后剪切强度逐渐降低。Z-pin增强接头分层损伤模型模拟结果与试验结果基本吻合。