基于模型修正的螺栓连接板结构动力学建模方法

螺栓连接板结构是飞行器结构中应用最为广泛的可拆卸固定结合部之一。该文针对螺栓连接板结构的动力学建模展开研究:基于薄层单元理论建立螺栓连接板结构的动力学等效模型;采用固有频率误差和模态置信准则残差的加权和作为修正薄层单元材料本构参数的目标函数,并利用水循环算法对待修正参数进行全局修正;以一个双边固支五螺栓搭接板结构的动力学建模为例,来验证该文提出方法的可行性和鲁棒性。结果表明,采用该文提出的方法建立的螺栓连接结构的动力学预示模型能够准确地表征其动态特性,并且具有良好的抗噪性。     

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。     

复合层压板单螺栓连接的刚度建模

针对复合层压板单螺栓单搭接结构,提出一种更合理的四阶段刚度模型。该模型是在传统三阶段刚度分析模型的基础上,采用部分滑移理论对模型粘滞阶段的刚度进行了改进;同时考虑到层压板之间、垫片与层压板之间的异步滑动,增加了部分滑移阶段,给出新的刚度模型的理论分析过程和使用条件。为了验证改进模型的准确性,在ABAQUS中建立了对应的三维有限元模型,同时对比了层压板单独建模和均质建模的优缺点,表明单独建模更符合实际,更精确;最后通过分析螺栓孔间隙、扭矩、铺层厚度、宽径比、液态垫片及铺层角度对复合材料螺栓连接各阶段刚度的影响。结果表明:螺栓孔间隙会导致螺杆发生二次弯曲,从而降低其接头刚度;相对于宽径比的影响,铺层厚度对螺栓接头刚度的影响更显著;不同铺层角度对螺栓接头刚度的影响机制也不同。      

基于非线性阻尼识别的螺栓连接检测技术

螺栓连接质量是影响机械结构装配质量的关键,研究快捷、有效的检测技术具有重要意义。根据能量守恒定律,推导出螺栓连接接触面非线性阻尼识别公式。基于系统动力学特性与经验模态分解(EMD)相结合的方法,确定出用于阻尼识别的系统敏感固有频率。以L型梁为研究对象进行实验,并利用希尔伯特变换方法和建立的非线性阻尼识别公式,得到系统的黏性阻尼比以及非线性阻尼比。研究表明,螺栓扭矩的变化对系统固有频率影响较小,而对系统阻尼的影响显著,尤其是对黏性阻尼比的影响较明显;当螺栓发生松动时系统的黏性阻尼比会发生明显的非线性变化,即由0.1225跃升至0.2587,相对增加了111.18%,从而验证了基于非线性阻尼变化检测螺栓连接质量的有效性。     

超500 MPa级高强钢承压型螺栓连接承载力试验研究

高强度螺栓承压型连接的承载力来源于钢板与螺栓的接触行为,承载力的发展伴随着螺栓孔周围材料的应力集中和塑性变形。普通钢延性好,可以克服螺栓孔周围应力集中的不利影响,充分发展承压承载力。随着强度增高,钢材的延性降低、变形能力下降,应力集中的不利影响将更突出。因此,需对高强钢构件的承压型连接进行研究。该文以Q550D、Q690D和Q890D三种国产高强钢共制作50组单螺栓试件,其中24组双剪切面试件、16组单剪切面试件,6组孔径变化试件,并与4组Q345B单螺栓试件进行了对比。研究表明:高强钢仍具备足够的延性,能克服应力集中的不利影响,连接破坏模式与普通钢无明显差异;剪切面数和螺栓孔径对不同高强钢承压强度影响较小,但单剪切面的试件更容易出现螺栓剪断,降低连接的延性,限制承压承载力的利用。基于已有试验的结果与中国现行标准《钢结构设计规范》比较,发现螺栓连接的钢板承压强度设计取值偏保守,对于超500 MPa高强钢可适当提高其设计值,以充分利用高强度钢材的材料强度,合理减少螺栓数量。     

基于各向同性本构关系薄层单元的螺栓连接参数识别

针对螺栓连接建模与参数识别问题开展研究。基于各向同性本构关系薄层单元理论,提出螺栓连接结构接触面力学性能识别方法。对单个螺栓搭接及多个螺栓搭接两种结构分别进行有限元建模,忽略螺栓质量、螺孔影响,搭接界面采用各向同性本构关系的薄层单元模拟。根据试验模态参数构造优化问题,识别搭接界面薄层单元材料参数。结果表明,两种螺栓连接结构前四阶弯曲模态频率计算精度较高,薄层单元能准确反映接触界面力学性能。该方法适用于单个螺栓及螺栓较密集工况动力学精确模拟。     

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。     

配合精度对复合材料单钉双剪螺栓连接静强度的影响

为研究不同配合精度(间隙配合及干涉配合)对复合材料单钉双剪螺栓连接静强度的影响,基于ABAQUS软件建立了三维渐进损伤有限元分析模型,并将分析结果与实验结果进行比较验证模型的有效性.结果表明,间隙的增加会导致接头挤压强度及刚度的降低,但在0％ ～2％ 间隙范围内极限挤压强度变化不大.间隙配合下螺栓-孔接触面积的减小引发应力集中,致使孔边出现损伤区域集中.适当的干涉配合能增强接头刚度及挤压强度;适当的干涉量能降低孔边应力集中,但过大的干涉量会导致孔周出现严重的初始损伤.     

单螺栓连接梁的非线性连接层建模与参数识别

针对线性的螺栓连接层等效模型无法表征进入微观滑移状态后结合部动力学行为的问题，用Voce本构关系对线性连接层等效模型做出了改进，使其能表征螺栓结合部的非线性动力学行为。以单螺栓连接梁为研究对象，试验探究了不同预紧扭矩对其固有频率的影响，测试了其在不同幅值谐波激励力下的频响函数。通过遗传算法对连接层等效模型的四个非线性参数进行了识别，分别包括初始屈服应力、切线模量和两个形状参数，识别了参数后模型频响函数计算值与试验值的误差在10%以内，表明改进后模型的准确性与可行性。改进后连接层等效模型可以用于装配结构非线性行为的预测。     

考虑装配间隙的双搭接螺栓连接剪切刚度的解析求解方法

螺栓的连接刚度是复合材料连接设计中的重要参数,装配间隙对其有明显的影响。针对弹性基刚度k_c^*,引入Liu Cai-Shan的内圆接触模型,推导了考虑装配间隙的解析表达式,发现k_c^*随着装配间隙增加而降低。针对钉头约束系数k_<i>r,基于应力假设和应变能方法,给出了估算表达式。在获得k_c^*和k_r基础上,建立弹性基剪切梁模型并推导了双搭接螺栓连接刚度的解析解,并采用3-D细节有限元模型对解析方法进行了验证。最后,通过有限元方法分析了间隙对连接刚度产生影响的力学机制,并用解析方法定量给出了1~300 μm的装配间隙对连接刚度影响的大小。     

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.     

结合改进单胞模型的单钉双剪层合板螺栓连接结构挤压性能的多尺度表征分析

为提高螺栓连接层合板结构的可靠性和承载能力,基于ABAQUS软件及用户子程序(USDFLD),结合改进的单胞模型,建立了考虑组分材料失效的多尺度数值模型。利用该模型表征分析了单钉双剪层合板螺栓连接结构的力学性能,研究了铺层形式及几何尺寸对连接结构性能的影响。该模型的预报结果与试验结果吻合较好。结果表明:准各向同性层合板螺栓连接结构的挤压强度高于正交各向异性层合板连接结构的挤压强度,前者的失效模式为挤压失效,后者为剪出失效,该模式导致结构承载能力降低,设计中应避免。层合板边径比大于3时,不同宽径比连接结构的挤压强度趋近稳定值;但相同边径比的连接结构,其挤压强度随宽径比的增大而增大,连接结构设计时应给予考虑。      

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。      

复合材料层合板多钉连接结构累积损伤过程可视化仿真模拟

建立了分析复合材料层合板多钉连接结构的三维有限元模型, 考虑了接触状态非线性和累积损伤过程非线性的影响, 运用ANSYS 中的APDL 编制程序实现了对复合材料层合板机械连接结构整个承载过程的可视化仿真模拟, 同时进行了T300/ Q Y9512 复合材料层合板多钉单剪拉伸试验。结果表明, 在一定几何尺寸下, 复合材料层合板多钉连接结构钉载分配的不均匀性在整个承载过程中并无明显改善。根据本文中提出的累积损伤模型对各孔位变形进行了计算, 计算结果与试验结果吻合较好。从累积损伤过程的仿真结果可以明显看出, 不同几何尺寸的多钉连接结构中各钉孔附近损伤的起始和发展过程具有明显的区别。优化设计结果表明, 不同钉孔处层合板厚度的改变对各钉钉载分配无明显影响, 但孔边法向和切向应力大小和分布均受到严重影响, 对整个多钉连接结构的损伤程度产生很大变化。      

Stress analysis of multi-bolted joints for FRP pultruded composite structures

In the last decades, FRP composites have been widely used for constructing entire civil structures. One of the challenging issues for building with pultruded FRP composites is understanding the behaviour of bolted joints. In this paper, the results of a numerical analysis performed on different types of bolted composite joints with different geometry and subjected to tensile loads are reported. The aim of this study is to examine the distribution of shear stresses among the different bolts by varying the number of rows of bolts as well as the number of bolts per row. The study also considers the presence of variable diameter washers and their influence on the bearing stresses of composites with different fibre orientations. For verification of the validity of the analytical models, numerical results are compared to experimental results reported elsewhere. The results of this study showed that in multi-bolt joints, the load is not distributed equally due to varying bolt position, bolt-hole clearance, bolt-torque or tightening of the bolt, friction between member plates and at washer-plate interface. The results also indicated that in the presence of washers, the stress distributions in the fibre direction, varying fibre inclinations, are decreasing for each value of washer pressure.     

Effect of Fastener Preload on Structural Damping

This paper presents results from an extensive set of frequency response measurements from a simple plate structure with a single bolt lap joint. The frequency response measurements are obtained from modal impact tests. Both damping ratios and natural frequencies are found to remain fairly constant for medium to high levels of bolt preload. At low levels of preload, damping ratios increase significantly by 25–75%, whereas natural frequencies decrease by only 1–2%. These results identify the monitoring of vibration damping as a means for detecting low preload and fastener loosening. Comparative tests with monolithic plate structures show the introduction of a single bolt lap joint results in an increase in damping and a decrease in frequency for the first three modes of vibration. Similar results are found for steel and aluminum plate materials with grade 5 and 8 fasteners.