复合材料螺栓连接预紧力松弛的温度-时间依存行为

针对碳纤维增强环氧基复合材料机械连接结构耐久性设计中的2个关键问题:黏弹性预紧力松弛的温度-时间依赖行为及其长期性能预测方法进行研究。建立了以蠕变全应变理论为基础的预紧力松弛预测模型。36 h的恒温耐久试验表明:初始预紧力越大,温度越高,连接件预紧力松弛速率越快;复合材料连接件的松弛速率远大于金属连接件;预紧力松弛主要表现为材料蠕变过程。对比短期试验结果表明:本模型能较好地实现对不同温度、预紧力和连接材料的松弛预测,为确立试验数据的外推方法提供了依据。      

振动工况下螺栓连接自松弛机理研究

为研究振动工况下螺栓连接自松弛机理,利用ANSYS参数化语言建立考虑螺纹的三维螺栓连接有限元模型,用降温法加载预紧力,进行螺栓连接横向振动瞬态分析;研究横向激励幅值、初始预紧力、螺纹啮合面、螺栓头及螺母承压面以及连接物之间结合面的摩擦因数等对螺栓连接自松弛影响。结果表明,横向振动时完全滑移先发生于螺纹啮合面处;横向激励幅值越小、初始预紧力越大、螺纹啮合面及螺栓头、螺母承压面摩擦因数越大,螺栓连接自松弛越不易发生;激励幅值一定时连接物间结合面摩擦因数对自松弛无影响,但摩擦因数越大,发生横向振动所需剪切载荷越大。研究结果对理解螺栓连接自松弛、指导防松设计具有重要意义。     

微动损伤对复合材料螺栓连接预紧力松弛的影响

开展了横向循环载荷下复合材料螺栓连接件预紧力松弛试验,探究了材料疲劳损伤与接触面微动磨损联合作用下螺栓连接预紧力松弛过程。基于有限元软件ABAQUS,采用Archard磨损模型和ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）自适应网格技术,编制了适用于连接结构微动磨损的UMESHMOTION子程序,建立了分析连接支承面微动磨损的计算模型;利用子程序UMAT编制了Shokrieh和Lessard提出的疲劳累积损伤定量分析程序。在此基础上分析了复合材料疲劳损伤、螺孔伸长及接触磨损的耦合作用下预紧力随循环周次变化的机制,与实验结果进行对比,验证了所提出的预测方法的合理性、有效性。      

法兰连结结构的振动测试试验分析

利用虚拟仪器LabVIEW软件,针对法兰连接结构振动测试试验,开发具有信号发生(频率可调的伪随机和正弦)、数据采集、谱分析等数据处理功能的分析系统,完成了法兰螺栓连接结构在不同预紧力下的振动试验。通过对试验数据的谱分析、差量分析表明:法兰螺栓连接结构的非线性特性对结构动态响应影响是显著的,各种非线性振动现象明显,信号不对称性表现的尤其突出,且与螺栓的预紧状态密切相关。借助于频谱信息,可判定螺栓松紧的程度,为结构连接状态的诊断提供依据。     

过盈配合和预紧力的混合作用对复合材料机械连接结构的影响及其机制

为研究钉孔过盈配合情况和紧固件预紧力及二者混合作用对复合材料连接强度的影响及其机制,提出了一种基于试验验证的有限元方法,在有限元模拟结果与两组不同配合复合材料与钛合金单剪双钉连接拉伸试验吻合良好的基础上,进一步模拟6种不同螺栓预紧力和7种不同钉孔配合模式的组合,共42种不同情况的结构承载能力。通过对模拟结果的分析发现：一定的干涉配合值和预紧力虽然可能导致钉孔周围在受载较小时提前出现较小破坏,但在载荷较大时反而可以改善孔周的接触条件,从而减小孔周的纤维破坏范围,并最终提高连接结构的破坏载荷。而且钉孔配合情况和螺栓预紧力对连接结构承载能力会相互影响,即在不同钉孔配合情况下所得到的紧固件预紧力优化值会有所不同,反之亦然。因此在进行复合材料机械连接结构承载能力优化时,必须同时考虑不同参数的影响,才能获得最优的结构设计。     

复合材料螺栓连接松弛的弹-黏塑性分析方法

预紧力松弛是影响复合材料螺栓连接结构耐久性的主要原因之一。本文重点讨论导致预紧力松弛的材料蠕变与粗糙表面接触蠕变的相互影响。内容包括建立了以弹-黏塑性理论为基础的复合材料蠕变本构模型,并结合考虑粗糙表面的分形接触理论,将其推广到与时间相关的弹-黏塑性接触问题。数值结果与实验结果对比表明,考虑粗糙表面接触效应时,计算误差从2.87%~4.37%降至0.04%~0.5%,预测准确性有显著提高。表面分形参数D和G的讨论结果表明,接触表面越粗糙,预紧力越容易松弛。这对工程上通过控制表面形貌参数来改善表面接触性质具有指导意义。     

电动车动力电池包螺栓连接振动松动研究

为提高电动汽车动力电池包振动安全性,更好地在开发前期预估和分析电池包结构连接可靠性和完好性,建立考虑螺栓连接因素的电池包振动性能仿真计算模型。并提出以螺杆单元轴向应力功率谱密度均方根作为电池包螺栓连接振动松动评估参数。从电池包随机振动环境下结构强度和螺栓振动松动性能研究获知:螺栓连接结构振动松动风险高于结构强度破坏,工程中不容忽视;并非电池包螺栓预紧力越大,结构性能越佳,需计算分析、合理匹配方可防止螺栓振动松动问题。上述研究对电池包结构设计和安全性评价具有实际意义。     

高频振动沉桩对周边环境的影响

依托云南省昆明市昆纺原址改造项目钢管桩高频液压振动沉桩工程实例,通过勘察、室内土工试验,基于Midas GTS NX的三维动力有限元数值模拟,从激振频率、桩径、激振力和土层情况4个方面入手,系统分析了钢管桩高频振动沉桩对周边环境影响的作用机理。研究结果表明：激振频率越底,沉桩对周边环境影响越大;在距离钢管桩一定范围内,桩径越小,沉桩对周边环境影响越大;激振力及土体动弹性模量越大,沉桩对周边环境影响越大。最后,根据研究结果,提出了减小振动沉桩环境影响的工程措施。     

黏弹性叠层复合材料阻尼器性能试验研究

黏弹性阻尼器是一种被动减震(振)控制装置,它主要依靠黏弹性阻尼材料的滞回耗能特性,给结构提供附加刚度和阻尼,以减小结构的震(振)动反应。在减震结构设计中,一定范围内提高黏弹性阻尼器的存储刚度,能够有效的降低结构的震(振)动位移,提升黏弹性阻尼器的减震性能;通过在既有黏弹性阻尼材料中增加芳纶网眼织物,设计并制作了五类黏弹性叠层复合材料阻尼器,在相同环境温度下,对其进行变形相关性、加载频率相关性以及疲劳性能试验,以最大剪应力、存储剪切模量、损耗剪切模量和等效黏滞阻尼比作为性能指标,研究黏弹性叠层复合材料阻尼器的力学性能及其规律。研究结果表明:在不改变黏弹性阻尼材料基体的基础上,增加芳纶网眼骨架材料,能够有效的提高黏弹性阻尼器的存储刚度;剪切变形、疲劳加载对黏弹性叠层复合材料阻尼器力学性能指标影响明显;加载频率对该类黏弹性阻尼器的力学指标影响较小。     

预紧力对螺栓联接机匣模态频率的影响研究

为研究预紧力对螺栓联接机匣模态频率的影响,首先,从理论上建立预紧力作用下螺栓联接结构模态方程;其次,以螺栓联接板试件为例,基于有限元分析和试验相结合的方法,验证螺栓联接接触面处理方法的准确性;然后,建立较为精细的机匣有限元模型,进行不同预紧力作用下的机匣模态分析;最后,分析刚性机匣和预紧力作用条件下的实体机匣各阶固有频率相对差异,重点研究预紧力变化对各阶模态频率影响程度。研究表明,随着预紧力增大,机匣各阶固有频率总体上有所增大,并且预紧力对各阶固有频率的影响程度各不相同,结合振型图发现,对于连接面处相对变形较大的振型,其模态频率受预紧力影响较大;而对于连接面处相对变形较小的振型,其模态频率受预紧力影响较小。     

复合材料螺栓连接预紧力松弛的改进预测模型

该文研究了复合材料构件螺栓连接预紧力的长期性能预测。在作者前期工作的基础上,建立并完善了基于蠕变全应变理论的螺栓连接预紧力松弛预测模型。主要改进包括各蠕变阶段表达式转换为分段形式和修正时-温转换因子的作用方式两方面。采用时-温等效原理获得的长时加速表征实验数据对模型进行验证。结果表明,本模型能较好地描述预紧力长期特性,且预测效果比现有的Shivakumar-Crews模型及Hook-Norton模型更好,从而证明了该模型的准确性和可靠性。     

复合材料单螺栓双剪搭接干涉配合疲劳强度评价

该文采用有限元软件ANSYS,建立了复合材料单螺栓双剪搭接干涉配合的三维有限元模型,研究了当连接模型中施加了预紧力时,预紧力对干涉配合的影响.首先分析了无载荷作用下复合材料板在干涉配合孔边切向应力分布特点;之后比较了双剪搭接在10kN 和15kN 两种远程纵向载荷作用下,孔边切向应力的分布情况.结果表明:远程纵向循环载荷作用下,预紧力能有效均匀各板所受载荷,并可消除在无预紧力时中板上的局部应力集中点,而且适当增大预紧力能提高干涉配合连接的效率;此外研究显示双剪搭接连接在不同的载荷下,疲劳危险点也不同;最后研究了复合材料干涉配合连接时,各板的交叉区域孔边切向应力分布,因此得出各板在高低不同的载荷下疲劳危险点的分布.     

Preparation and thermodynamic analysis of the porous ZrO2/(ZrO2 + Ni) functionally graded bolted joint

Ceramic–metal functionally graded materials (FGMs) have been extensively used in aerospace engineering where high strength and excellent heat insulation materials are desired. In this paper, the thermodynamic behavior of the Thermal Protection System (TPS) used bolted joints made up of porous ZrO₂/(ZrO₂ + Ni) FGMs is investigated by finite-element (FE) modeling. The bolted joint is subjected to reentry heating corresponding to the Access to Space Vehicle. Thermodynamic simulations are carried out to yield the transient response of the porous ZrO₂/(ZrO₂ + Ni) functionally graded bolted joint (FGBJ). The effects of the preload on the thermomechanical behavior and service reliability of the bolted joint are numerically analyzed in detail by ABAQUS codes. It is found that the preload relaxation of the bolted joint occurs at elevated temperature, and the preload has significant influence on service reliability of the bolted joint under transient thermomechanical circumstances. With the increase of the preload, stress concentration which occurs at the root of the first thread of the bolt increases rapidly and predominates in service reliability. Proper preload is thus defined to balance the service reliability and tightness of the bolted joint. Further studies show that the shape of the nut has a great effect on the stress concentration of the thread, the optimized nut is designed to reduce the stress concentration of the thread, and thus the reliability of the bolted joint is also improved.     

纵肋与横隔板交叉构造细节穿透型疲劳裂纹扩展特性及其加固方法研究

纵肋与横隔板交叉构造细节是正交异性钢桥面板最易发生疲劳开裂的构造细节,通过建立有限元数值模型,采用断裂力学方法,研究栓接角钢加固方式对该处疲劳易损细节穿透型裂纹的加固效果。基于疲劳试验足尺节段模型相对应有限元模型,建立了纵肋与横隔板焊接处穿透型疲劳裂纹模型,针对栓接角钢和纵肋外侧栓接钢板两种加固技术的加固效果进行评估。研究结果表明:钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹扩展至一定长度后将发展成穿透型裂纹,裂纹面受力复杂,纵肋腹板内外侧疲劳裂纹扩展特性表现的不一样,但是随着裂纹扩展的逐步进行,裂纹尖端的开裂模式均以复合型开裂为主;栓接角钢加固方式主要抑制纵肋与横隔板交叉构造细节易损部位疲劳裂纹的I型开裂,因此能很好地抑制短裂纹的扩展,但对于该细节处以复合形式扩展的穿透型疲劳裂纹的加固效果并不显著;在纵肋外侧栓接半U形钢板的加固方法能有效改善穿透型疲劳裂纹的等效应力强度因子,并且加固之后均保持在裂纹扩展阈值以下,表明该加固方式对穿透型疲劳裂纹有良好加固效果。     

The static and fatigue strength of bolted joints in composites with hygrothermal cycling

The effects of hygrothermal cycling upon the performance of a bolted composite joint was examined. Bolt torque relaxed as the number of environmental cycles increased. Comparison with analytical results suggested that the bolt torque “zigzag” behavior probably results from the natural sensitivity of bolted composite joints to the existing ambient temperature and moisture. The washer effect and specimen surface finishes were investigated to study the friction effect on joint bearing performance. Fatigue tests of specimens exposed to hygrothermal cycling exhibited greater hole elongation than specimens not exposed. High preload does improve static failure strength and the fatigue life of specimens under room conditions. Tests run on IM6/3501-6 material specimens with hygrothermal cycling show reasonable declines in fatigue life. The moisture weight gains of composites under hygrothermal cycling exposure were measured and compared to numerical results; good correlation was obtained. As a result, bolt failure occurred in some fatigue tests and is most frequently associated with large thickness-to-diameter ratio. The peak-to-peak stress was defined to study the effect of the R-ratio on bolts for the bolt failure problem.     

粘弹性阻尼器对网架结构振动疲劳寿命的影响

为研究粘弹性阻尼器对平面网架结构疲劳性能的影响,先对粘弹性阻尼器等效刚度进行推导,然后,基于随机振动载荷,根据载荷功率谱密度函数（PSD）和结构的频率响应以及结构的模态,对平面网架结构添加粘弹性阻尼器和不添加粘弹性阻尼器,以及添加不同阻尼系数的粘弹性阻尼器时的疲劳寿命进行计算和比较。结果表明,阻尼器可以有效的减少随机振动荷载对网架结构的疲劳破坏。且随着阻尼系数的增大,网架结构的最小疲劳寿命呈现先增大,后减小的趋势。因此通过合理选择粘弹性阻尼器的阻尼系数大小可以优化结构的抗疲劳性能。     

Dynamic characteristics of cylindrical hybrid panels containing viscoelastic layer based on layerwise mechanics

The viscoelastic damping model of the cylindrical hybrid panels with co-cured, free and constrained layers has been developed and investigated by using the refined finite element method based on the layerwise shell theory. The transverse shear and normal strains and the curved geometry are exactly taken into account in the present layerwise shell model, which can depict the zig-zag in-plane and out-of-plane displacements. The damped natural frequencies, modal loss factors and frequency response functions of cylindrical viscoelastic hybrid panels are compared with those of the base composite panel without a viscoelastic layer. The difference in the free vibration and damping of the thin and thick composite laminates and the viscoelastic sandwiched beam between full and partial layerwise theories is verified by comparison with the published results. Various damping characteristics of cylindrical hybrid panels with free viscoelastic layer, constrained layer damping, and co-cured sandwich laminates are investigated. Present results show that the full layerwise damping model accurately predicted the vibration and damping of the cylindrical hybrid panels with viscoelastic layers.