Numerical approach for assessment of dynamic strength for riveted joints

Numerous rivets have to be modelled for aeronautical framework crashes. A numerical procedure based on FE modelling and characterisation of material failure constitutive models is proposed in order to limit the experimental procedure. Quasi-static and dynamic experiments are carried out on elementary tension (punched) and shear (riveted) specimens. No strain rate sensitivity has been measured on the riveted joint assemblies failure. The experiments are used to identify, by an inverse method, the Gurson damage parameters of each material (2024-T351 and 7050 aluminium alloys for the sheet metal plate and the rivet). The characterisation gives rise to a satisfactory correlation between FE models and experiments. Optimised parameters are validated for each material by means of a uniaxial tension test for the sheet metal plate and an ARCAN type specimen in pure tension for the rivet. Results can then be used to identify macroscopic failure criterion to model the rivet behaviour in aeronautical framework crashes. FE tools can also resolve problems linked to limit-design or the design of new riveted joint assemblies more rapidly and cost effectively than experiments.     

LY12CZ铝合金铆接件微动损伤防护技术研究

 本文详细地分析了LY_(12)CZ铝合金铆接件微动损伤的微观特征以及各种搭接表面处理方法对疲劳强度的影响。试验结果表明:对搭接表面采用恰当的处理方法,铆接件的疲劳寿命一般均有不同程度的提高,其中,胶铆结构的采用是防止铆接件产生微动损伤的有效措施。当轴向交变应力σ_(max)=125MPa以下时,胶铆试件的疲劳寿命比干涉铆接的疲劳寿命提高60％以上。     

钛合金异种材料单搭自冲铆接头力学性能

为研究钛合金异种材料单搭自冲铆接头的力学性能,本文使用接头剖面直观检测法分析了四种铆接接头的成形质量,先后对铜-钛合金接头(H62-TA1接头)和钛-铝合金接头(TA1-AA5052接头)进行准静态力学性能测试,得到了两种接头的载荷-位移曲线。采用狄克逊准则剔除异常值,并通过变差系数法验证了试验数据的可靠性。研究结果表明:H62-TA1接头质量优于TA1-H62接头,TA1-AA5052接头质量优于AA5052-TA1接头;H62-TA1接头强度(5 177.8 N)高于TA1-AA5052接头(4 296.9 N),H62-TA1接头能量吸收值(21.9 J)大于TA1-AA5052接头(10.2 J);H62-TA1接头失效模式为铆钉拉出失效,TA1-AA5052接头失效模式为下板拉断失效。     

几种金属材料自冲铆接头的静态失效机理

利用自冲铆连接系统、材料试验机及扫描电子显微镜等设备来研究钛合金、铝锂合金及铝合金自冲铆接头的力学性能与静态失效机理。结果表明:TA1钛合金接头平均最大拉剪载荷(6 285.0 N)在3种接头中最大,8090铝锂合金接头(5 478.3 N)次之,5052铝合金接头(3 217.7 N)最小;不同金属材料自冲铆接头的静态失效模式有很大的区别,TA1钛合金接头出现铆钉从沿晶断裂向韧性断裂转变的失效过程,8090铝锂合金接头出现材料被擦伤与解理断裂的失效过程,5052铝合金接头仅出现材料被擦伤的失效过程。     

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...     

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。      

1420 铝锂合金同种异种自冲铆单搭接头力学性能

为探究1420铝锂合金自冲铆接头的力学性能,本文采用自冲铆连接设备对1420铝锂合金(AL1420)同种及其与铜合金(H62)异种板材组合进行铆接,并通过拉伸-剪切试验测试接头的力学性能,运用SPSS数据分析软件对接头的最大载荷和最大位移量进行分析。结果表明:AL1420-AL1420和AL1420-H62两种接头的失效形式皆为铆钉从下板拉脱,铆钉头与上板接触区域出现不同程度撕裂;H62-AL1420接头除铆钉从下板拉脱,铆钉头与下板接触区域仅出现凹陷。AL1420-AL1420接头最大载荷最高(6 026.8 N),能量吸收性能最好(16.84 J)。对于异种板材组合,H62-AL1420接头的最大载荷(5 304.0 N)大于AL1420-H62接头(5 229.3 N),AL1420-H62接头的能量吸收值(16.79 J)大于H62-AL1420接头(15.08 J),异种板材铆接时则优先采用能量吸收性能较好的AL1420-H62搭接形式。     

ASTM承剪胶接接头力学性能研究

对承剪单搭接胶接接头力学性能进行了有限元分析及试验验证。通过对ASTMD 5 6 5 6标准薄胶层试件的试验及其和有限元计算结果的对比 ,确定了胶粘剂材料弹塑性应力应变关系。在此基础上 ,引入等效塑性应变准则和J 积分准则对具有不同胶层厚度的ASTMD 5 6 5 6和ASTMD 31 6 5标准试件的强度进行了预测 ,预测结果与试验结果相吻合。还就含脱粘缺陷的ASTMD 31 6 5标准试件的强度进行了分析。计算结果表明 ,ASTMD 5 6 5 6和ASTMD 31 6 5标准试验测得的胶粘剂表观剪切模量和剪切强度只具有相对意义 ,确定胶粘剂材料工程常数 ,还要在计算结果的基础上进行更深入的理论分析 ;对于含脱粘缺陷的ASTMD 31 6 5试件 ,缺陷的位置对其强度有重要影响     

复合材料斜面压铆和锤铆铆接质量对比分析

通过试验对复合材料斜面机器压铆和手工锤铆两种铆接方法的质量进行评估。评估内容主要包括铆钉的外观质量、复材铆接件的外观质量、无损检测和力学性能测试4个部分。结果表明:压铆的铆钉比复材铆接件的外观质量更好,受人为因素影响小;在无损检测后,压铆后的复材铆接件没有出现分层现象;在力学性能测试部分,压铆的铆接强度优于锤铆的铆接强度。可见在复合材料铆钉中压铆更具有实用性和适用性。     

航空铆钉连接件的抗冲击性能

以分离式Hopkinson拉杆装置为基础,设计了特殊的铆接试验件,对MS20615铆钉的铆接结构开展了动态加载下不同加载角度、不同加载速率的力学性能试验。结合其准静态试验结果,获得了铆接结构在纯剪切、30°拉剪耦合、45°拉剪耦合、60°拉剪耦合和纯拉伸试验下的力学性能参数。试验结果表明,加载角度、加载速率对铆接结构的失效载荷与失效模式有显著的影响。在试验结果的基础上,使用有限元软件LS-Dyna建立了铆接结构的简化模型,对比了试验和数值模拟得到的铆接结构载荷-位移曲线,并对简化数值模型进行了网格相关性分析,验证了简化的铆钉单元模型的可行性。     

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。     

基于子模型方法的钉群连接结构强度分析研究

为了准确高效的进行飞机复合材料钉群连接结构的损伤分析和强度预测,研究了子模型方法在复杂连接结构分析中的应用技术,构造了包括总体模型和两级子模型的钉群连接结构分析模型体系,提出了子模型中螺栓连接结构的建模策略和复合材料结构损伤模拟的方法,确立了对应于损伤模式的结构破坏判据。采用本文提出的方法对波音787复合材料壁板进行接...     

含多处损伤搭接结构应力强度因子有限元分析

 采用铆钉的两种表现形式（详细杆元和简化的弹簧元）的组合方式建立了含多处损伤(MSD)多铆钉搭接结构的有限元模型,通过分析得到了不同损伤模式下的应力强度因子(SIF)随裂纹扩展历程变化规律的曲线。结果表明,相对于单裂纹和无腐蚀情况,MSD和腐蚀损伤都会增加SIF值,当裂纹间距大于孔间距一半时,可不考虑裂纹间干涉效应;在给定的循环应力幅下,应力强度因子幅随干涉量的增加而降低,但干涉量大到一定值时,SIF对其不再敏感;铆钉材料对SIF的影响很小,而铆钉直径增大20%,SIF约增加6%。反平面翘曲对SIF有很大的影响,相对于无反平面翘曲,SIF下降一个数量级。     

基于损伤力学的干涉配合连接结构寿命预测方法

铆接连接件疲劳破坏常出现在铆钉孔周,现阶段常采用干涉配合提高铆接连接件疲劳寿命。以干涉配合铆接连接件为研究对象,采用连续介质损伤力学方法,研究其在循环载荷作用下疲劳破坏特性。通过APDL语言对ANSYS软件进行二次开发,建立了结构疲劳裂纹萌生寿命的损伤力学——有限元法,可以预估干涉配合铆接连接件的疲劳寿命。计算了典型铆接件的疲劳寿命,并与SWT临界平面法预估的疲劳寿命进行对比,验证损伤力学——有限元法的准确性。     

Evaluation of tensile properties of a compositemetal joint with a novel metal insert design by experimental and numerical methods

Composite-metal joints with a metal insert are one kind of connecting structure.In this paper,tensile experimental tests were carried out to investigate tensile properties of a composite metal joint with a novel metal insert design.Finite element models of the joint were established,and strain distribution and tensile strength were analyzed.The numerical results are in good agree ment with the experimental results.Results show that the joint failure is dominated by shear properties of the resin layer.Increasing the resin layer thickness in a certain range will improve the tensile strength of the joint,while increasing the radius of the fillet on the ending side of the metal insert will decrease the joint strength.Increasing the resin layer plasticity will improve the joint strength.The effect of the embedded depth of the metal insert can be ignored.     

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。     

Ti和Ti／Ni／Ti连接钨与铜及其合金的界面结合机制与接头强度

采用热 力学模拟试验机Gleeble1500D作加热设备,用Ti片和Ti箔 Ni片 Ti箔复合中间层扩散连接钨与铜及铜合金CuCrZr。结果表明,当用Ti片连接钨与铜,连接温度下Ti与Cu反应但未转化成液相时,则反应层由具有一定脆性的多层化合物组成,接头强度偏低;当Ti片通过共晶反应转化成液相且大部分液相被挤出连接区时,接头强度显著提高,最高达220MPa。用Ti Ni Ti复合中间层连接钨与CuCrZr时,结合界面是通过Ti分别与Ni、W及Cu相互扩散并反应生成多层化合物和固溶体而形成的;与Ti片连接钨与铜的接头形成相似,连接过程中Ti箔未转化成液相时接头强度偏低,Ti箔转化成液相时接头强度明显提高。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接连接性能

为提高复合材料单搭接头的连接性能,制备了不同参数的Z-pin增强单搭接头,通过拉伸试验,研究了Z-pin体积分数、直径以及植入角度对单搭接头连接性能的影响规律,分析了Z-pin对单搭接头性能的增强机理。结果表明Z-pin能明显提高复合材料单搭接头的连接性能：植入角度为90°、Z-pin直径为0.5 mm时,在0%~3.0%体积分数范围内,单搭接头强度随着Z-pin体积分数的增加呈线性增加,含3.0% Z-pin的接头剪切强度为16.76 MPa,比无Z-pin的接头强度提高了33.2%;Z-pin体积分数为1.5%、植入角度为90°时,Z-pin直径变化对单搭接头强度影响不大;含Z-pin体积分数为1.5%、直径为0.5 mm时,随着Z-pin植入角度（背离搭接末端）的增加,单搭接头强度先增加后下降,失效模式从Z-pin拔出失效转变为Z-pin剪断失效;在植入角度为40°时,剪切强度最大（21.04 MPa）,比无Z-pin的接头剪切强度提高了67.1%。Z-pin植入角度（倾向于搭接末端）对单搭接头强度无影响。     

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。     

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。