铝合金板件螺栓连接承压强度试验与计算方法

螺栓连接是铝合金结构中最常用的节点形式,对铝合金板件螺栓连接节点的承压性能进行试验研究与分析是十分必要的。结合建筑结构领域常用的2种铝合金材料6061-T6和6063-T5,设定螺栓直径和端距为试验参数,总共对20个螺栓连接节点试件进行了加载试验,得出了节点试件的承压承载力以及荷载与螺栓孔变形的关系。利用ANSYS建立...     

Influence of Assembly Parameters on Tensile Behavior of Hybrid CMC and Superalloy Bolted Joints by Progressive Damage Analysis

基于渐进损伤分析的装配参数对陶瓷基复合材料与高温合金

混合螺栓连接结构拉伸行为的影响

吕超¹,李锋¹,赵淑媛²,孙茜³,李明瑞²,孙新杨⁴

（1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2.哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;3.中航工业集团公司沈阳飞机设计研究所,沈阳 110000;4.哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001）

创新点说明：

采用ABAQUS有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行了渐进损伤分析,研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律,并讨论了连接结构的损伤失效模式,为提高陶瓷基复合材料连接结构的结构效率及服役安全性提供理论基础。

研究目的：

在飞行器结构应用中,陶瓷基复合材料与金属螺栓连接件的强度分析与结构设计对提高结构承载效率及维护结构完整性起着至关重要的作用,研究连接结构装配参数对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构拉伸性能的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。

研究方法：

采用有限元软件ABAQUS建立了2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的单钉单搭接螺栓连接结构的有限元分析模型,结合Fortran语言将非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件,并嵌入到ABAQUS有限元软件中实现高温拉伸条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的渐进损伤分析。基于此模型研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律,并讨论了连接结构的损伤失效模式。

结果：

2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构施加适当的预紧力可以提高连接结构的刚度和强度,但过大的预紧力会使复合材料板厚度方向发生破坏,从而导致接头强度下降。钉孔间隙的增加将加剧孔内挤压区域的应力集中现象,导致结构强度降低。

结论：

本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律及相关失效模式,为陶瓷基复合材料连接件的结构设计和工程化应用提供了技术支撑。

关键词：陶瓷基复合材料;渐进损伤分析;拉伸性能;预紧力;钉孔间隙

     

复合材料多钉连接钉载分配均匀化的泰勒展开方法

大多数复合材料机械连接都是多钉连接,但由于复合材料的脆性等因素,钉载分配往往极不均匀,极易引起接头的过早破坏.为改善钉载分配的不均匀性,工程中通常采用在承载较大的钉孔处设计间隙配合的方法,然而间隙量的大小一般难以确定.本文基于一阶泰勒展开方法提出一种确定该间隙的近似算法.首先将钉载关于钉孔间隙进行一阶泰勒展开,进而建立钉载和钉孔间隙之间的线性方程组.然后在指定外载荷条件下,以钉载均匀分配时的螺栓载荷为已知量,以钉孔间隙为未知量,计算各钉近似均匀分配时的钉孔间隙.以5钉连接接头为例,对模型有效性进行验证.结果表明,优化后,首钉钉载比例由45.1%降低到23.0%,首钉位置净截面的拉伸应力和压缩应力也有明显降低,较优化前分别下降26%和39%.最后基于验证的优化模型研究了宽度、排距、螺栓数目以及外载荷等参数的影响.模型分析效率高,对于n钉连接的多钉连接问题,只需n+1个有限元模型即可计算得到钉载近似均匀分配时的钉孔间隙.模型对复合材料多钉连接的均匀化设计具有重要的指导意义.     

Thermal Stress and Assembling Parameters Evolution of CMC Bolted Joint under Transient Thermal Loads

瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化

赵淑媛¹,李正禹¹,蒲泽良¹,孙新杨²,张文娇³

（1哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;

2哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

3东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）

创新点说明：

采用有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行热力耦合分析,分析了瞬态热载荷作用下热应力及装配参数的变化,为避免连接结构的早期破坏提供理论基础。

研究目的：

陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。当这种类型的结构件被用于高温瞬态热载荷状态下时,由于陶瓷基复合材料与金属的热膨胀不匹配,会导致连接部位产生额外的热应力,并改变接头的连接参数,从而使结构提前发生破坏。因此,研究瞬态热加载对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。

研究方法：

针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,使用有限元软件ABAQUS建立单钉单搭接螺栓连接结构的热分析模型。通过计算得到模型在给定的热边界载荷作用下的瞬态温度场,将温度场结果导入到应力场分析中,结合材料模型的UMAT程序,实现了模型的热力耦合分析。通过研究连接结构在高温热载荷作用下产生的热应力场,讨论了瞬态升温过程对连接结构预紧力、钉孔配合精度产生的影响

结果：

2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构在受到温度载荷作用而产生温度变化后,装配时施加的预紧力会发生松弛现象,并且螺栓钉孔间的间隙也会缩小,预紧力下降值与温度载荷值呈现线性关系,钉孔间隙的减小值与温度载荷值呈现二次曲线的关系。

结论：

本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了瞬态热加载条件下结构热应力及螺栓预紧力和钉孔间隙等装配参数的演化,所得结果将用以指导工程实践中陶瓷基复合材料连接件的设计和使用。

关键词：陶瓷基复合材料;热分析;热应力;预紧力;钉孔间隙

     

高强螺栓端板连接节点的非线性有限元分析

目的 研究高强螺栓对端板连接节点力学性能的影响．方法 采用有限元分析软件ANSYS，考虑螺栓数目、螺栓直径、端板厚度等影响因素，对高强螺栓端板连接中的外伸式节点进行三维非线性有限元分析．结果 螺栓数目、螺栓直径以及端板厚度对节点极限承载力都有不同程度的影响．8个螺栓的节点受力较为合理，比6个螺栓的端板连接的极限承载力提高近30％，能充分利用梁柱材料．端板厚度的变化影响节点的初始连接刚度，但对节点的极限承载力影响不大．结论 增大螺栓直径可以有效地提高节点的极限承载力．螺栓数目的不同影响节点螺栓的应力变化和各排螺栓屈服的先后顺序．端板厚度的增加在端板较薄时对节点的初始刚度影响明显．     

一种新型网壳结构节点的试验研究与有限元分析

结合工程实际，提出了一种用于单层网壳结构的新型毂形节点，对这种节点进行了足尺试验研究，并用有限元软件ANSYS对这种节点的极限承载力进行了非线性有限元计算，并将二者结果进行比较．分析了节点直径和壁厚对节点受压承载力的影响．对具有不同壁厚和直径的节点进行了数值计算，提出了节点受压极限承载力的计算公式根据试验结果提出了改进节点受拉性能的措施，可供工程设计人员和研究人员参考．     

单搭胶/螺栓混合连接结构的应力分布与载荷分配

针对平衡单搭胶/螺栓混合连接结构及其对应胶连接、螺栓连接结构,通过逐步构建其各自对应的精确三维有限元分析模型的方法对比分析了三种连接结构的应力分布。首先构建了胶连接分析模型,其胶层应力计算结果与采用已有文献理论分析模型计算结果比较吻合,验证了计算模型的准确性;在上述模型基础上继而构建了胶/螺栓混合连接分析模型,对比分析了采用两种胶材料的混合连接相对于对应单种胶连接层应力分布的变化,并计算了混合连接胶层与螺栓的承载比例,发现采用酚醛树脂胶的混合连接与对应胶连接胶层应力分布几近一致,螺栓分载很少,而采用丙烯酸酯胶的混合连接胶层剪切应力得到极大程度降低且螺栓得到了较大分载;最后构建了混合连接对应的螺栓连接分析模型,比较了两者应力水平和应力集中程度,发现前者明显低于后者,混合连接胶层的加入有缓解连接孔边应力集中的作用。提出混合连接可采用低模量胶材料以使胶层与螺栓共同分载,从而达到比传统连接方式更好的连接性能。     

螺栓被连接件刚度的解析计算

基于三维轴对称模型的弹性理论方法对螺栓连接中被连接件进行了建模,用均匀分布的环形力来模拟螺栓头部对被连接件的作用力,给出了被连接件的刚度的理论解析.实例计算结果表明:提出的计算方法具有较高的精度.得到的被连接件刚度计算方法不需要进行太复杂的运算,适合螺纹连接设计中较为准确地计算被连接间的刚度,具有较好的工程实用性.基于三维弹性理论解析解的方法对被连接件的刚度进行求解,不需假设应力分布,也不需要对最佳的半锥角进行实验或有限元统计.     

基于分段式模型考虑界面损伤的GFRP锚杆-砂浆粘结性能数值模拟

通过编写Vumat子程序定义玻璃纤维增强塑料（GFRP）锚杆材料参数,并考虑GFRP锚杆与砂浆界面的不均匀及损伤特性进行正交各向异性建模,借助ABAQUS有限元软件对GFRP锚杆与砂浆界面的粘结滑移特性进行分段模拟,探究GFRP锚杆轴力、界面剪应力分布形态,进而对不同直径GFRP锚杆-砂浆界面力学特性进行分析。研究结果表明：分段式有限元模型能够较好地反映GFRP锚杆-砂浆的粘结特性。随着施加荷载的增加,GFRP锚杆所受轴力逐渐增大,荷载传递深度逐渐加深,锚固作用自上而下逐渐发挥;GFRP锚杆拔出所需最大拉力、界面破坏位移随直径减小而增大。GFRP锚杆发生破坏的临界直径为28 mm,当直径大于28 mm时发生滑移破坏,直径小于28 mm时发生强度破坏。计算确定直径28 mm GFRP锚杆的锚固系数K₁为0.155。     

螺栓法兰连接系统的热应力场

利用有限元软件ABAQUS建立了螺栓法兰连接系统的实体模型,采用热结构耦合分析方法,研究了法兰公称直径为100 mm的螺栓法兰系统的温度场及其应力场,以及在预紧力和温度梯度操作条件下螺栓等效应力、轴向应力、径向应力和切向应力的变化关系.结果表明,温度场对螺栓轴向两端的应力影响较大,当内壁温度为100 ℃时螺栓头靠近法兰一侧的等效应力增加了250 MPa,螺栓上靠近法兰一侧的螺纹的等效应力增加100 MPa,而温度场对螺栓远离法兰一侧的螺纹的应力影响很小,说明设计时应重点考虑热应力对靠近法兰一侧的螺纹与螺栓头的影响.     

钢结构中高强螺栓连接的数值模拟方法

为能够对使用众多高强螺栓群拼接的钢结构大型复杂节点进行精确的有限元数值模拟分析,并揭示螺栓拼接节点在各阶段的受力性能,提出了一种以连接件单元代替螺栓的简化模拟方法。对高强螺栓单剪连接使用实体单元建模,并考虑各种非线性影响,进行精细的有限元模拟分析。在深入研究连接的弹性、滑移、强化和屈服等各个阶段受力机理的基础上,给出了代替螺栓连接件的本构关系,并将其成功应用于简化的壳单元连接模型中。针对工程中常用的不同规格连接进行了大量算例分析,并将简化模型与精细模型计算结果进行对比,验证了所提方法在高强螺栓拉剪连接有限元模拟中的可行性,为使用数值模拟方法揭示大型复杂螺栓群连接节点的真实受力状态奠定了基础。     

Static Performance and Fracture Numerical Analysis of 301L/Q235B Dissimilar Steel Resistance Spot Welded Joints

301L/Q235B异种钢电阻点焊接头静力学性能及断裂数值分析

王昌坤1,2*,刘慧玉1,范佳斐1,左银龙3,胡立国4

（1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044;2.中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070;3.中车唐山机车车辆有限公司,唐山 063000;4.中车长春轨道客车股份有限公司,长春 130062）

摘 要：对301L-DLT/Q235B异种钢2.0 mm板不同熔核尺寸的电阻点焊拉剪试样进行静拉伸试验。用有限元软件模拟出了点焊接头的力-位移曲线,分析了点焊接头拉伸断裂过程的应力应变分布和断裂演变过程。熔核硬度高于板材和热影响区。在静拉伸载荷作用下,电阻点焊接头拉伸过程的应力、应变随位移增大呈指数关系增长,301L板加载侧熔核边缘的应力值最大。点焊接头以熔核拔出断裂失效试样的静拉伸强度和塑性变形量优于以界面断裂模,由熔核界面断裂向拔出断裂转变的搭接面临界熔核直径为7.12 mm,约5 .

关键词：301L/Q235B异种电阻点焊;静力学性能;断裂模式;有限元分析

     

Numerical simulation on bolted rock joint shearing performance

A Double Shear Model(DSM)was used in a numerical simulation on bolted rock joint shearing performance.An entire bolt deformed as the letter"U"under a shear load between two joints.Near the bolt-joint intersection,the bolt partly deformed as the letter"Z".There were two critical points along the bolt: one was at the bolt-joint intersection with zero bending moment and the other at the maximum bending moment(plastic hinge)with zero shear stress.The blocks on two sides slid along the bolt as it deformed.A separation area was found between the two joint contact surfaces of the middle rock block and sided block.This area of separation was related to bolt diameter and external forces.We assume that this area is related to the work of external forces.Further research is needed.     

紧螺栓联接疲劳强度可靠性设计中的几何效应及其参数分布

螺拴的几何参数是影响螺栓联接疲劳强度的重要因素。本文对五种规格的螺拴用投影—拟合法进行了大样本抽样测试并作出统计处理。分析结果说明,螺纹小径d_1,螺纹根部圆角半径r和螺栓头部圆角半径R均服从正态分布,并得到了相应的分布参数,从而为螺栓联接的疲劳强度可靠性设计,合理考虑几何效应以及螺栓的可靠性指标的制订提供了依据。     

毛竹内嵌杉木的螺栓连接抗拉力学性能

在竹结构中,柱脚一般会出现受拉荷载,针对该现象提出一种内嵌杉木的毛竹螺栓连接形式,设计15个内嵌杉木的毛竹螺栓连接试件并进行轴向拉伸试验.根据Karacabeyli-Ceccotti建议的50％ 极限荷载法确定试件的屈服荷载和屈服位移,阐述了荷载位移曲线中不同变形阶段的特征,分析了螺栓直径和螺孔端距对连接试件的承载力和...     

带Z字形悬臂梁段拼接的装配式钢框架节点抗震性能分析

为了解决传统结构装配化程度较低的问题,提出一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点,在对6个节点进行低周往复试验的基础上,对其进行了拟静力和静力有限元分析。获得了梁端和拼接区的弯矩转角曲线以及节点的破坏模式,并和试验结果进行了对比。得到了接触面摩擦力、孔壁挤压力以及螺栓拉力的变化规律,分析了螺栓数目、螺孔直径、节点加劲肋形式和框架梁形式对节点抗震性能的影响。通过对拼接区加载过程中各个状态的受力分析,构建了拼接区的弯矩转角关系模型。研究结果表明：减少翼缘高强螺栓数目在不显著降低节点承载能力的前提下提高了节点延性和塑性转动能力;翼缘和腹板螺孔开大孔和节点使用三角形垂直加劲肋对节点抗震性能影响很小;拼接区的上下翼缘板件之间滑移并不是同时开始的;加载过程中大部分螺栓的拉力都会有一定程度的损失。     

高强栓接结构对分段式重载横梁动态特性的影响

针对高强栓接连接的超跨距分段式横梁与整体式横梁,以某机床厂生产的重型龙门数控机床三段式栓接重载横梁为研究对象,在横梁3种安装方式下分别对其进行动力学实验,并且利用三维建模软件与有限元软件对相应的整体式横梁进行了建模与分析.通过对照测试结果与分析结果,探究了栓接结合部对横梁动态特性的影响.结果表明:分段式横梁在3种情况下的动力学特性与整体式横梁并无显著差别,横梁栓接结合部对横梁动力学特性的影响较小.     

腹板双角钢梁柱连接的滞回性能

为了研究腹板双角钢梁柱连接的滞回性能,在考虑材料、几何和接触状态非线性基础上,采用三维实体单元对腹板双角钢梁柱连接进行了循环加载有限元模拟.系统研究了角钢厚度、角钢长度、与柱连接角钢肢螺栓中心线到与梁连接角钢肢背距离以及高强螺栓直径和级别等参数对连接承载能力和滞回性能的影响.有限元分析结果表明:大部分连接在循环荷载作用下表现出良好的延性,转角超过0.04 rad,抗弯强度不大,可作为铰接节点;少部分连接具有相当的抗弯能力,在结构分析中,须考虑节点抗弯强度对框架性能的影响,不能简单作为铰接处理.建议在设计时,螺栓的线距在满足构造要求同时,取最大线距值;连接在满足抗剪要求的前提下,螺栓中距和端距应取最小构造间距,以保证角钢长度取值较小.     

高耸塔架结构节点联结螺栓松动等效模型研究

法兰连接是输电线塔等高耸钢结构中常用的一种连接方式,法兰处螺栓的松动是结构容易发生的损伤。如果损伤发生进而继续发展必将会危害到结构的安全。因此及时发现螺栓联结损伤并进行修复对结构的安全非常重要。该文对螺栓松动损伤引起结构刚度的影响进行了研究,并通过优化等效的方法建立了不同螺栓松动损伤下的分析模型,为高耸塔架结构节点螺栓松动损伤诊断系统的建立提供了依据。     

金刚石圆锯片基体辊压预应力处理工艺参数试验研究

对典型Φ1650 mm金刚石圆锯片进行预应力处理,采集预应力处理前后锯片基体的轴向变形量,研究预应力施加位置与载荷对适张状态的影响。试验结果表明:预应力施加位置离圆心越远,切向拉应力的效果越明显,锯片的轴向刚性与稳定性增强,锯切过程中锯片基体抑制轴向受载变形的能力提高216%~232%;预应力施加载荷使圆锯片抑制变形的能力提高,若预应力施加载荷过大,预应力处理后锯片整体刚性与稳定性变弱,基体抑制轴向受载变形能力仅提高155%~187%。