3钉带衬套复合材料/金属接头拉伸疲劳性能试验研究

带衬套沉头螺栓连接已经在复合材料连接结构中得到了一定的应用,需要对其疲劳性能进行研究.本研究对一种单搭接3钉带衬套碳纤维复合材料/钛合金沉头螺栓连接接头进行了静态拉伸试验,测量了接头的载荷-位移曲线、拉伸极限强度与条件挤压强度.在此基础上,确定67％接头极限载荷为拉伸疲劳最大载荷,按应力比为0.1的循环载荷对接头进行疲劳试验,并与对应的无衬套接头进行了对比,研究了衬套对该接头疲劳性能的影响.结果表明,衬套的引入改善了应力分布情况,使结构疲劳寿命延长了98.4％.同时,静态拉伸试验中发生层合板的钉孔挤压以及净截面拉伸破坏,疲劳试验中发生钛合金板的拉伸疲劳破坏,部分无衬套接头还发生了螺栓疲劳破坏.经分析发现,两类材料的疲劳性能表现差异较大,复合材料/金属机械连接接头的疲劳破坏模式会因载荷水平的不同而发生变化,在低于一定载荷水平下容易出现金属结构的破坏.     

复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构拉伸性能EI北大核心CSCD

通过ABAQUS软件建立三维累积损伤有限元模型,计算复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构的条件挤压载荷,并对其损伤机理与破坏过程进行分析;选用适合该类结构层板的损伤判据与衰减准则进行验证。计算获得的初始挤压破坏载荷与实验结果吻合良好,说明所建模型的有效性。在此基础上,分析了接触面摩擦、螺栓刚度和连接金属板刚度等因素对连接结构拉伸性能的影响。结果表明:接触面摩擦因数和螺栓刚度对结构拉伸性能的影响较为明显,金属板刚度的影响很小。     

复合材料衬套螺栓干涉连接安装过程损伤机制

复合材料干涉连接结构由于能够显著降低孔周应力集中,提高结构承载能力和疲劳寿命,而成为一种先进的连接形式。但是由于复合材料层间强度低的特点,不合理的干涉螺栓连接结构形式、尺寸以及安装方式很容易引起孔壁分层,降低结构承载能力。针对该问题,本论文提出了一种基于衬套螺栓的干涉连接结构,并对该结构开展了安装过程中承载机制的试验和有限元研究。试验中测量了插钉力变化和孔壁损伤情况,有限元模型中充分考虑了层内损伤和层间分层因素,建立了基于复合材料渐进损伤和内聚力单元的损伤预测模型。通过干涉量为2.2%的衬套螺栓安装过程中的插钉力和损伤的有限元模型与试验结果对比分析发现,二者拟合度良好,证明模型的准确性。通过不同干涉量下的分层情况对比分析以及临界干涉量求解,解释了衬套螺栓提高孔壁质量的原因并提出了可靠干涉量范围。     

复合材料中厚板沉头连接结构强度与损伤失效

针对复合材料沉头螺栓连接结构的强度与损伤问题,开展了两种厚度复合材料层合板凸头与沉头螺栓连接结构挤压强度对比试验研究。试验结果表明,增加层合板厚度会引起连接结构挤压强度下降,但沉头连接结构下降比例小于凸头连接结构。通过数值模拟方法对复合材料中厚板沉头连接结构的强度及损伤失效进行分析。提出一种非线性面内连续损伤与三维混合失效模型,模型考虑了复合材料基体剪切非线性特征并改进了纤维损伤失效判据,有效解决了数值模拟中沉头复合材料连接结构难于收敛的问题。对比分析表明:沉头连接结构的数值计算结果与试验结果吻合良好,极限强度最大计算误差8.62%。     

碳纤维增强树脂基复合材料预紧力单齿接头的静态及疲劳性能试验

通过试验研究了预紧力、齿长和载荷水平对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）预紧力单齿接头（PTSTC）静态和疲劳性能的影响。试验结果表明:CFRP PTSTC的疲劳极限承载力可以达到静态极限承载力的80%~85%,与螺栓等传统连接方式相比,其疲劳性能具有一定优势;预紧力可以显著改善CFRP单齿接头的静态和疲劳性能;CFRP PTSTC的静态极限承载力随齿长增加而升高,但是在相同载荷水平下增加齿长不一定可以延长接头的疲劳寿命,尤其是在低载荷水平下齿长增加反而会缩短疲劳寿命;在加载初期,PTSTC的疲劳裂纹快速萌生,之后扩展缓慢,在接近破坏前的几次循环中又骤然增大,预紧力可以减缓疲劳损伤的累积速率;疲劳过程中PTSTC的刚度衰退不明显,在前95%疲劳寿命阶段仅下降1%~4%,预紧力也可以减缓刚度的衰退速率。所得研究成果可为复合材料接头抗疲劳设计提供参考依据。      

基于振动疲劳试验的复合材料螺栓连接预紧力松弛特性

在强迫弯曲振动试验的基础上,建立了基于模态参数(共振频率和阻尼比)表征螺栓连接结构动态性能的分析方法和试验测试手段;通过施加不同初始预紧力和激振频率,探究碳纤维/环氧复合材料螺栓连接预紧力松弛的时变行为及其影响因素。结果表明:在10h振动疲劳过程中,螺栓初始预紧力越小,激振频率越大,连接件预紧力松弛程度越大;振动疲劳损伤会导致连接结构刚度衰退、阻尼增加;复合材料螺栓连接松弛受到材料黏弹性以及界面摩擦的共同影响,其中约50%的松弛是由复合材料黏弹性效应引起的。      

复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏试验与数值仿真

对复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏进行了试验研究,分析了接头的破坏模式、失效载荷和面板对接头的影响。采用ABAQUS有限元软件进行了数值分析,通过与实验结果对比验证其模型的可靠性,预测分析内部的破坏模式以及结构参数对接头破坏的影响,研究了泡沫芯体内部的渐进破坏以及面板和泡沫芯体之间的胶层脱粘破坏。结果表明:泡沫夹芯板预埋螺栓连接结构灌封胶边缘的泡沫先产生裂纹后向中间扩展,中间区域全部开裂时两端裂纹沿着45°方向向上扩展。胶层开裂的区域呈弧形条状,分布在螺栓紧固件的两侧,在面板宽度方向,开裂的区域贯穿两侧。随着预埋件深度的增加最大破坏载荷也在增加,随着预埋件直径的增加亚临界破坏载荷和最大破坏载荷没有比较明显的变化,但最大破坏位移在减小。      

复合材料连续损伤力学模型在螺栓接头渐进失效预测中的应用

提出考虑层合板面内(纤维和基体失效)和层间失效的复合材料连续损伤力学模型,对螺栓接头的渐进失效行为进行预测。基于Tsai-Wu强度准则,发展可以判定复合材料面内和层间失效的强度准则。采用幂指数衰减材料退化模型模拟复合材料的损伤扩展过程。建立连续损伤力学模型用以研究0°铺层比例和螺栓直径对复合材料螺栓接头挤压性能的影响,预测结果与实验结果吻合。结果表明:0°铺层比例过高,接头发生剪切破坏,降低连接结构承载能力;增大螺栓直径,层合板损伤受到抑制,可提高复合材料螺栓接头的挤压强度。      

复合材料拉挤方管型材螺栓节点承载力试验

复合材料型材是采用工业化拉挤工艺生产的截面形状一致、性能稳定的连续构件（如：方形、工字形、槽形等）,其节点连接技术是难点。重点开展了复合材料型材节点螺栓机械连接的试验研究与理论分析,研究了螺栓节点孔径、端距、壁厚等参数对复合材料型材节点极限承载力的影响规律,提出了拉挤复合材料型材螺栓孔的金属垫圈孔壁增强技术,进而拟合了拉挤型材螺栓节点连接的设计公式。研究结果表明：复合材料方管拉挤型材在螺栓连接局部挤压的破坏模式下,其极限承载力与孔径和板厚的乘积（d·t）呈线性关系,接头处的破坏形式和连接接头端距与孔径的比值相关。在挤压破坏模式下,当接头板件壁厚一定时,极限承载力的增量随着孔径的增大而减小。螺栓孔采用金属垫圈增强技术,可以大幅度提高节点承载能力（提高63%）。     

铆钉分布形式对自冲铆接头力学性能的影响

该文采用Landmark试验机对5052铝合金自冲铆接头进行力学性能测试来研究铆钉分布形式对自冲铆接头力学性能的影响。获得了单铆钉自冲铆(简称SR)接头、横向分布双铆钉自冲铆(DRT)接头和纵向分布双铆钉自冲铆(DRL)接头的静力学和疲劳性能,采用正态分布和威布尔分布对试验数据进行分析检验其有效性。结果表明:DRT接头静强度约为SR接头的2倍;DRL接头静强度约为SR接头的1.9倍。DRL接头比DRT接头具有更好的能量吸收能力。双铆钉自冲铆接头的疲劳性能优于SR接头。铆钉分布形式对接头疲劳变形量影响较小,但是对寿命影响较大。当疲劳载荷较高时,DRL接头可提高疲劳寿命。随着疲劳载荷降低,DRT接头可显著增加疲劳寿命。