一种基于钉“超元”的复合材料机械连接钉载计算方法

接区的设计是复合材料设计中一个很关键的环节，而确定钉载分布又是多钉接头中的重要问题。本文基于位移法原理，提出一种以有限元“超元”为基础的钉载分析计算方法，避免了实验测定复合材料Ｐ－δ曲线的困难，同时由于“超元”技术的采用具有较高运算效率。本文方法对接头的几何外形、尺寸、钉的排列方式、外载及边界条件等没有限制。与试验及文献算例结果比较，证明了本文方法正确、可靠。最后，利用本文方法对多种情况钉载分配进行了参数研究，得出一些规律性结论。     

复合材料多钉连接钉载矢量传感器

在总结复合材料多钉连接钉载测试方法的基础上,针对单向载荷传感器应用中必须已知钉载方向且需要按照钉载方向装设传感器的缺点,提出了钉载矢量传感器方案。钉载矢量传感器无预设安装角度要求,能够测量载荷方向;并对钉载矢量传感器的选材、应变片方案及开槽尺寸进行了设计,制造了钉载矢量传感器。采用复合材料单钉单剪螺栓连接,分别对钉载矢量传感器测量结果的线性符合性、重复性、安装角度影响以及载荷方向测量能力进行了测试研究。测试结果表明:钉载矢量传感器满足工程上对载荷分配测试的技术要求,验证了本文所提出的钉载矢量传感器的适用性。     

考虑间隙配合的复合材料钉载分配均匀化方法

针对多钉连接中因复合材料脆性等因素导致结构中的钉载分配不均匀,以及接头在承载较大的钉位置易发生过早破坏的问题,提出了调整钉孔配合间隙改善钉载分配的不均匀性的优化方法。首先,基于弹簧质量模型,以钉孔间隙为设计变量,建立了多钉连接钉载分配的二次规划优化模型。然后,采用内点法对优化模型进行了求解,得到了优化模型的全局最优解。最后,以复合材料5钉双剪接头为例,对钉孔间隙进行了优化,将计算结果与有限元预测结果进行对比。结果表明:模型优化结果与有限元结果吻合较好,优化后最大钉载比例由41.1%降低到了20%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料多钉连接钉载分配比例的均匀化设计。      

GBJM方法的改进及其在含钉群复合材料结构钉载分配和承载能力分析中的应用

为了分析含钉群复合材料结构的钉载分配及承载能力问题,首先对Globle Bolted Joint Model(GBJM)方法进行了改进,然后采用改进的方法对复合材料多钉连接结构的钉载分配和承载能力进行了预测,并与试验结果进行了比较。结果表明:当孔边复合材料未出现损伤时,该方法对多钉载荷分配的预测和试验结果比较接近;而对结构承载能力的预测,该方法偏于保守,比试验结果约低15%。同时该方法具有两个显著优点:一是计算结构钉载分配时效率高,和三维有限元模型相比提高约75%;二是能够对含钉群复合材料结构的失效载荷进行有效的预测。     

碳纤维/树脂复合材料多钉连接钉载系数测试方法

为解决由于碳纤维/树脂复合材料多钉连接结构中钉载分配状态和测试方法不同导致的钉载系数测试分散性不明确的问题,针对应变片和钉载矢量传感器两种测试方法,提出基于不确定度理论的钉载系数相对测量不确定度的计算模型,并计算两种测试方法对碳纤维X850/树脂复合材料单剪、双剪连接结构钉载系数的相对测量不确定度。结果表明,应变片测试方法中,单剪结构钉载系数无法准确测量,双剪结构钉载系数相对测量不确定度通常超过2.8%,且随结构中螺栓数目和应变片贴片角度偏差的增加而增大;钉载矢量传感器测试方法中,单剪、双剪结构钉载系数均可测试,且针对任意螺栓数目结构,其钉载系数相对测量不确定度最大不超过1.5%。      

多钉连接钉载分配特性研究方法

利用金属-复合材料层合板紧固件多钉连接件开展拉伸载荷下钉载分配特性的试验和有限元分析研究。试验件为一列三钉单搭接和双搭接连接件。通过应变电测技术获得连接件典型截面应变分布, 再间接估算钉载分配比例。建立了试验件二维、三维有限元模型, 并计算获得应变和钉载分配结果。对比发现, 应变的计算值与实测值吻合, 但钉载分配的计算结果与实测结果存在较大偏差。分析表明: 基于表面应变测量估计钉载分配的方法不能反映连接件的附加弯矩对多钉钉载分配比例的影响; 采用经过应变测量结果验证的有限元模型, 通过数值计算确定钉载分配是一种可行的技术途径; 而应用简化的板-梁二维有限元模型计算钉载分配可以满足工程精度要求。     

配合方式对复合材料单钉单剪螺栓连接接头刚度的影响及其机制

针对单钉单剪复合材料螺栓连接,研究了间隙与干涉2种配合方式对接头刚度的影响及其机制。通过与试验结果的对比,验证了所采用的有限元方法的有效性。结果表明:对于复合材料单钉单剪螺栓连接,间隙配合导致接头刚度变小, 3%钉直径的间隙量导致接头刚度下降16%~17%,并且随着间隙量的增大,接头刚度基本呈线性下降;而对于装配过程中没有产生孔边分层损伤的干涉配合连接件, 0.5%钉直径的干涉量使得接头刚度增加了约15%。配合方式不同,连接件孔周接触应力峰值方向及厚度方向接触应力分布不均匀的程度不同,进而影响了接头刚度。      

复合材料3钉单搭连接有限元模拟与钉载分布

进行了复合材料一铝合金三钉单搭连接单向拉伸试验,测量了层合板面内位移、应变和离面位移随载荷的变化关系,建立了复合材料多钉单搭连接的三维累积损伤有限元模型,计算与试验对比结果表明,该模型可模拟大范围损伤发生之前的承载特性。采用试验和数值模拟相结合的方法研究了复合材料一金属三钉单搭连接钉载分布情况,结果表明：试验用复合材料-铝合金三钉单搭连接,螺栓1承载比例最高,螺栓3次之,中间螺栓的承载比例最低,并且螺栓承载比例在加载过程中基本保持不变;随着金属连接板刚度的增加,螺栓1的承载比例增加,螺栓3承载比例降低,中间螺栓2的承载比例变化较小,层合板离面位移减小;金属板配合间隙变化对钉载分布影响很小,但层合板的离面位移随配合间隙的增大而增大。     

环境温度和间隙对复合材料-金属混合结构机械连接钉载分配的影响

通过有限元模拟与试验相结合的方式,研究环境温度和间隙对复合材料-金属混合结构连接钉载分配和强度的影响。分别建立双钉单剪和三钉单剪有限元模型,并在模型中综合考虑了接触、金属塑性和复合材料渐进损伤等因素,研究了不同温度和间隙情况下钉载的分配情况。研究表明,间隙对初始阶段钉载分配影响较大,但不影响塑性屈服阶段的钉载比例和承载能力;温度改变引起的热应力会带来额外的温度载荷,温度载荷对端部钉载影响较大,温度载荷与机械载荷叠加,会加剧端部钉载的分配不均。      

复合材料单钉接头三维逐渐损伤破坏分析

针对纤维增强复合材料螺栓双盖板接头, 发展了面内静拉伸三维逐渐损伤模型。并对损伤累积过程中出现的四种基本损伤机理类型(纤维断裂、纤维-基体剪切、基体开裂、分层) 及其之间的相互关联性进行了分析模拟, 并能成功预测其接头层合板静拉伸强度、破坏模式及损伤与扩展的整个过程。同时用参数化设计方法, 对任意铺层、任意尺寸单钉接头进行建模, 使分析工作更加方便。用本模型计算的结果与文献[ 4 ]提供的9 种不同铺层尺寸接头实验结果进行了比较分析, 对比结果非常令人满意。      

制造公差对复合材料螺栓连接结构强度分散性的影响

为解决由于螺栓和复合材料板制孔制造过程中不可避免的制造公差引起的配合间隙的不同,而使复合材料螺栓连接钉载分配不同,从而导致螺栓连接强度分散性的问题,以英制高锁螺栓和孔板制孔的制造公差为例,研究不同配合间隙下双剪四钉螺栓连接钉载分配情况,并进一步采用改进的特征曲线法、改进的强度包线法和渐进损伤模型对螺栓连接结构的强度进行预测,得到四钉连接失效强度的分散区间分别为[-3.87%,2.16%]、[-4.01%,3.95%]和[-3.16%,5.14%]。结果说明如果紧固件及螺栓孔均符合制造标准,则其对强度的影响范围不超过6%。     

T300/BPM316复合材料层合板的载荷放大系数确定

在加速飞机复合材料结构耐久性验证的试验过程中,载荷放大系数(LEF)的求解精度对试验持续时间有着重要的影响。以铺层方式为[45/-45/0/0/-45/90/0/90/45/0]_s 的T300/BPM316 复合材料层合板为研究对象,采用改进的联合威布尔分布分析复合材料的疲劳寿命分散性,并运用MATLAB 软件编写程序,计算得到其部件的载荷放大系数。结果表明:在该文研究范围内,T300/BMP316 复合材料层合板的载荷放大系数随试验持续时间的增加而减小;部件试验件数对耐久性验证试验的可靠性影响很小,对载荷放大系数的影响可忽略不计;验证了采用改进的联合威布尔分布的联合载荷放大系数法的正确性,并发现其不受原始载荷放大系数法的求解限制,具有推广应用价值。     

A highly efficient user-defined finite element for load distribution analysis of large-scale bolted composite structures

This paper presents the development of a highly efficient user-defined finite element for modelling the bolt-load distribution in large-scale composite structures. The method is a combined analytical/numerical approach and is capable of representing the full non-linear load-displacement behaviour of bolted composite joints both up to, and including, joint failure. In the elastic range, the method is generic and is a numerical extension of a closed-form method capable of modelling the load distribution in single-column joints. A semi-empirical approach is used to model failure initiation and energy absorption in the joint and this has been successfully applied in models of single-bolt, single-lap joints. In terms of large-scale applications, the method is validated against an experimental study of complex load distributions in multi-row, multi-column joints. The method is robust, accurate and highly efficient, thus demonstrating its potential as a time/cost saving design tool for the aerospace industry and indeed other industries utilising bolted composite structures.     

On the Bearing Failure of Laminated Composite Pin‐Loaded Joints: Exploitation of Semi‐Analytical Solutions for the Determination of the Stress State

Abstract: The present work deals with the development and verification of a set of analytical solutions for the bearing failure of single lap composite joints, which are applied on a composite joint tested experimentally. The stress field originating from the solution is calculated and progressive failure criteria are applied, verifying their applicability as a fast way of calculating bearing failure of a joint. Additionally, the extracted stress field from the results is introduced as a load to the finite element model of the joint under evaluation, and the equivalency of this method is compared and proven against typical implicit non‐linear contact analysis. The major advantage of the proposed methodology is that the highly non‐linear contact problem is circumvented using the stress distribution at the hole boundary as an actual load and thus transforming the analysis to a linear one, providing considerable agreement to the exact high‐cost numerical solution.     

An analytical model for the prediction of load distribution in highly torqued multi-bolt composite joints

This paper presents the development of an enhanced analytical approach for modelling the load distribution in multi-bolt composite joints. The model is a closed-form extension of a spring-based method, where bolts and laminates are represented by a series of springs and masses. The enhancement accounts for static friction effects between the laminates, a primary mechanism of load transfer in highly torqued bolted joints. The method is validated against detailed three-dimensional finite element models and where possible, experimental results. The effect of varying bolt-torque and bolt-hole clearance on the load distribution in a three-bolt, single-lap joint is investigated and the method proves to be robust, accurate and highly efficient. Finally, the method is employed in a parameter study, where increasing bolt torque levels can be used for achieving a more even load distribution in multi-bolt joints.     

碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头拉伸失效机制

通过试验及数值模拟对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头轴向拉伸失效机制进行研究。基于ABAQUS有限元软件,通过连续介质损伤模型及内聚区模型,分别对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头各部件及界面进行模拟,编写用户自定义材料子程序(UMAT),建立复合材料的渐进损伤模型,最终得到碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头的应力分布和载荷-位移曲线,并与试验结果对比确定结构的失效机制。结果表明:有限元分析所得碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头损伤部位及失效模式与试验吻合,失效载荷与试验值相差较小,证明仿真分析方法的有效性。通过对比失效模式发现,拉伸载荷作用下,链环是主承力部件,其弧形端部是应力集中处,纤维断裂即从此处开始发生并向外扩展,导致链环断裂及整体结构破坏。      

碳纤维复合材料接头力学性能试验与仿真分析

采用试验和仿真分析的方法对T800/924复合材料接头在拉伸载荷作用下的力学性能进行研究。在电子万能试验机上进行了接头试验件的拉伸试验,记录试验中试验件的破坏过程,得到了最终失效载荷。采用非线性有限元法,基于ABAQUS软件平台,使用内嵌的材料用户定义子程序（VUMAT）,建立了该试验对应的有限元分析模型,得到接头的应变分布情况,并给出接头失效载荷的计算值。结果表明:计算预测接头的损伤部位与试验吻合,失效载荷计算值与试验值差值较小,证明了仿真分析方法的可行性。通过结果分析发现,孔边是应力集中的地方,破坏一般从孔边开始萌生,并且接头面外受载能力较弱,接头的失效模式一般是孔边面外拉脱。      

The experimental behaviour of bolted joints in pultruded glass/ polyester material. Part 2: Two-bolt joints

Results reported in the literature for the behaviour of multi-bolt joints in composite materials can be contradictory, owing basically to the variation of the load distribution between the bolts. Therefore, the present investigation of the behaviour of two-bolt joints made from pultruded glass/polyester composite materials concentrates on the load distribution between the bolts. The results of this work show a tendency for the loads to equalize with increasing load. The achievement of full load redistribution has been found to depend on the amount of local deformation that can develop before the joint fails.     

Progressive failure analysis of bolted single-lap composite joint based on extended finite element method

In this paper, extend finite element method (XFEM) is used to predict the failure of single-lap bolted joints. To simplify calculation of XFEM model, composite laminates of joint are modeled using linear elastic properties. Three-dimensional equivalent material properties are calculated by the MATLAB code written by author. Progressive failure of bolted single-lap composite joint is investigated, and the failure load of joint simulated by XFEM is compared with experiments in literature. Then the influences of geometric parameters on failure load of one bolt single-lap composite joint are studied. Two geometric parameters include plate width-to-hole diameter ratio (W/D) and the edge-to-hole diameter ratio (E/D). At last the failure of single-lap joints with one bolt and two bolts are compared.