CFRP与铝板胶螺混合连接结构拉伸性能研究

基于三维渐进损伤理论,建立了复合材料层合板-铝板双搭接胶接连接、螺栓连接、胶螺混合连接结构拉伸强度预测模型,数值仿真结果与试验高度吻合,验证了所建模型的可行性。在此基础上,探究了搭接宽度、搭接长度、胶层厚度、接触面摩擦系数和螺栓个数等参数对胶螺混合连接结构拉伸性能的影响。结果表明:随着搭接宽度和搭接长度的增加,接头失效载荷先逐渐增加后趋于稳定,最优搭接宽度和搭接长度为30 mm和35 mm;胶层厚度对混合连接结构的拉伸失效载荷基本没有影响;胶螺混合连接结构中螺栓接头和层合板之间、螺栓与孔之间的摩擦系数越大,连接结构的拉伸失效载荷越大;在搭接区域相同的情况下,双钉混合连接结构的拉伸失效载荷比单钉的拉伸失效载荷提高了69%。     

风电叶片螺栓安装预紧力研究

风力发电叶片叶根连接螺栓是复合材料叶片与风轮轮毂连接的唯一的也是最关键的部件,通常在安装过程中会施加螺栓预紧力,保证叶片与轮毂连接的紧密性。预紧力大小的设定对螺栓是否能够正常使用,乃至叶片能否正常运行都有重大的影响,在螺栓连接的有限元分析中准确模拟螺栓的预紧力是一项复杂而困难的工作。论述了螺栓预紧力的理论计算过程及利用有限元技术在ANSYS中模拟螺栓预紧力的方法,为叶片根部连接施加预紧力提供可靠的依据和指导。     

垫片尺寸对碳纤维复合材料螺栓连接单搭接挤压强度影响研究

针对碳纤维复合材料单搭接螺栓连接结构,研究不同垫片外径对螺栓连接的挤压强度及损伤的影响,并仿真分析其失效模式。发现在单搭接螺栓连接结构中,加入垫片可以提高连接的挤压强度,且强度随着垫片外径尺寸的增加而增加。当垫片外径从11.8 mm逐渐增加到13.8 mm、15.8 mm和17.8 mm时,挤压强度分别在前一基础上提升了5.76%、5.87%和2.4%。试验结果表明垫片外径增加到一定程度时,挤压强度的增强效应开始减弱,但对失效模式并没有影响,仍为挤压失效模式。在Abaqus有限元软件中建立碳纤维复合材料单搭接螺栓连接三维有限元模型,引入含拉伸分层损伤、压缩分层损伤的三维Hashin准则和改进了的Tan、Tserpes材料刚度退化模型,仿真得到的载荷-位移曲线和失效模式与试验结果相吻合。     

谈压力容器螺栓法兰连接中螺栓预紧力的理解和应用

螺栓法兰连接是目前石油化工设备中应用极为广泛的一种可拆静密封连接结构,其主要失效形式是泄漏。螺栓的正确预紧是保证连接面不发生泄漏的重要环节之一。对压力容器螺栓法兰连接中螺栓的预紧方式、预紧顺序以及螺栓预紧力的确定及控制方法进行了比较详尽的介绍。同时提出了一种将压力及温度加载过程考虑在内的螺栓预紧力确定方法,并以一台高压换热器、一台中压换热器和一台低压容器设备法兰连接副为例,对不同螺栓预紧力的确定方法进行了比较和分析,推荐了适合于工程应用的螺栓预紧力确定方法。旨在为广大的工程技术人员更好地理解和应用螺栓预紧,从而为提高压力容器螺栓法兰接头设计的可靠性及密封效果提供有益的参考。     

法兰结构中螺栓预紧力及垫片密封的有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件,对人孔法兰结构进行有限元分析模拟。通过螺栓预紧力公式计算得到螺栓预紧力,将其施加到预紧单元PRETS179来模拟螺栓预紧力,施加到接触单元和垫片单元INTER195来模拟垫片的接触密封结构。将模拟计算得到的垫片接触压力与公式计算得到的垫片密封最小压紧力进行对比分析,找到合适的螺栓预紧力。     

有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳寿命预测

通过对有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳加载过程应力分析及材料三维疲劳失效准则损伤判定,并结合建立的疲劳加载材料退化模型、材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据,建立了基于三维累积损伤分析的层合板接头疲劳载荷作用下寿命预测方法。最后,对拉-拉疲劳载荷作用下有拧紧力矩层合板接头的疲劳寿命及破坏模式进行了模拟分析,并与试验结果进行了对比,结果表明,建立的寿命预测方法能够很好地预测有拧紧力矩复合材料单钉接头的寿命以及破坏模式。     

复合材料-铝合金碾铆与螺栓连接强度对比分析

通过碾铆连接和螺栓连接对复合材料-铝合金进行了连接实验,对两种连接方式的接头进行了静拉伸测试,对比分析了有无垫片和是否粘接两种因素对接头连接强度和能量吸收的影响。结果表明:添加垫圈后,两种接头的峰值载荷趋于一致,但螺栓连接接头的失效位移高于碾铆连接接头,且其能量吸收值比碾铆连接接头高16.29%,有更强的缓冲吸震能力;引入粘接对两种接头的抗拉伸强度影响不大,螺栓连接失效的峰值载荷略高于碾铆连接,两种接头的失效位移和能量吸收基本相同。     

风电叶片预埋型叶根连接螺栓抗疲劳优化设计研究

疲劳断裂是风电叶片叶根连接螺栓的主要失效形式。本文在《典型参数对风电叶片预埋型叶根连接螺栓承载性能的影响》分析数据的基础上,增加分析了变桨轴承高度、螺栓套外径对连接螺栓疲劳性能的影响;采用典型的疲劳载荷,综合分析对比了螺栓预紧力、法兰厚度、螺栓套初始螺纹深度、螺栓光杆直径、变桨轴承高度以及螺栓套外径等参数对叶根连接螺栓疲劳性能的影响。分析结果表明:增加变桨轴承高度、增大螺栓套外径是提高连接螺栓疲劳寿命的最有效方法;从减重降本角度考虑,提高连接螺栓的疲劳寿命,应优先考虑减小光杆直径,同时增大螺栓预紧力,如螺栓疲劳寿命仍无法满足设计要求,应依次考虑增大螺栓套外径,增加法兰厚度,增加变桨轴承高度。     

飞机中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头压缩性能研究

为研究飞机中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头的压缩性能,制作了中央翼斜切单接头长桁端头试验件,通过对试验件进行轴向压缩测试,建立了中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头区域的有限元模型,进行了试验前有限元分析计算,通过试验测得了整个试验件的载荷-应变曲线。试验结果表明,试验件发生非线性变形,然后随着载荷的增加,连接肋缘条、蒙皮、长桁的螺栓被剪断,紧固件连接失效,试验件被破坏。长桁蒙皮区域最大的应变出现在肋缘条和蒙皮连接的第一排钉附近,同时试验测得破坏载荷与有限元计算的结果总体一致,证明了有限元模型的合理性。     

合理的螺栓预紧力对法兰连接的重要性

在法兰连接中,螺栓预紧力不仅影响法兰之间的密封,而且影响法兰和螺栓的强度。合理的预紧力值,对法兰连接的设计有相当重要的作用。     

复合材料层合板沉头多钉连接钉载分配研究

沉头螺栓连接因具有改善钉载分配不均匀性,保持结构表面光滑等优点,在飞行器复合材料表面结构连接中得到了广泛应用。但是国内外对于沉头连接钉载分配却少有研究,通过ABAQUS软件建立复合材料层合板与金属沉头螺栓多钉连接三维有限元模型,计算沉头连接的钉载分配情况。对比凸头连接的载荷分配结果发现:沉头连接对钉载分配有一定的改善作用,且金属板厚度的改变对沉头螺栓载荷分配影响很小。     

气化炉激冷环连接螺栓失效分析及改进措施

在更换气化炉激冷环时,发现连接螺栓有断裂和腐蚀现象。通过对连接螺栓失效原因进行分析,改进螺栓结构和采取合理的预紧力,减少联接螺栓失效。     

复合材料胶接单搭接连接强度与失效模式研究

以Tserpes失效准则及其材料性能退化准则为基础,利用ANSYS建立几何模型进行有限元分析,针对模型进行相应的试验验证,以探究各参数对复合材料胶接单搭接连接强度的影响,并得到不同参数下的胶接失效模式。结果表明:复合材料与复合材料单搭接的强度高于钛合金与复合材料单搭接的强度;随着胶接长度、胶接宽度的增大,胶接接头的连接强度呈现先增大后减小的趋势;同时发现,在静拉伸过程中,钛合金与复合材料单搭接的失效模式主要为胶层的粘附破坏,复合材料与复合材料单搭接的失效模式主要为混合破坏,表现为复合材料紧邻胶层的第一层和第二层发生铺层基体开裂与分层破坏,同时胶层发生部分粘附破坏。     

多向受力状态下复合材料预紧力齿连接接头应力分析

为了探究复合材料空间桁架桥中关键节点预紧力齿连接接头在多向受力状态下的应力分布,对复合材料空间桁架桥建立多尺度有限元模型。该多尺度模型不仅可以同时获得桁架桥整体结构性能与局部接头应力状态,还可以有效反映两者的相互作用关系。通过该模型,对接头在多向受力状态下的应力分布展开研究,研究表明:预紧力齿接头受力之后,齿面正应力较过盈装配完成时有5 MPa以内的衰减;且多向受力接头较单向受力接头衰减缓和,衰减后多向受力接头齿面正应力略高于单向受力接头齿面正应力;多向受力接头各齿荷载分配比例与单向受力基本一致,均为两侧高中间低;多向受力接头复合材料管横向剪切应力较单向受力接头有一定增大,但最不利荷载工况下的横向剪切应力为15.7 MPa,远小于材料横向剪切强度,接头处于安全状态。所得结果可为复合材料预紧力齿接头设计提供参考依据。     

复合材料机械连接强度分析研究

针对目前高强度中模量复合材料层压板机械连接强度影响因素相关方面研究的不足,基于T800级碳纤维增强复合材料机械连接单钉单剪试验,对其孔边应力的分布以及机械连接的挤压强度,展开机械连接单钉单剪试样宽径比(试样宽度与钉孔直径之比)对连接件孔边应力分布及承载强度的影响规律的分析研究。通过基于ABAQUS的数值仿真模拟分析,对宽径比为4～8五种类型的单钉单剪机械连接件在拉伸载荷作用下孔边应力分布以及挤压强度进行了模拟对比。结果表明,复合材料单钉单剪机械连接的孔边应力分布受宽直比的影响很小,但连接强度受宽径比影响较为明显。     

基于挤压法的复合材料预紧力齿连接预紧力计算方法研究

通过挤压法对复合材料预紧力齿连接接头施加预紧力时,外部挤压量的大小决定了施加在接头上的预紧力大小。本文通过理论、有限元和实验研究了外部挤压量和接头预紧力之间的对应关系。在理论推导时,首先将钢和铝合金简化为理想弹塑性材料,将拉挤复合材料简化为横观各向同性材料,然后通过厚壁圆筒理论得出了在不同挤压量下界面径向压应力的理论计算公式,并通过有限元和实验进行了验证,最后在此基础上进行了参数研究。研究表明:①理论解与有限元解以及实验值吻合较好,这证明了理论公式推导的正确性;②在仅改变壁厚的情况下,界面径向压应力随铝合金内套筒壁厚的增加呈线性增长趋势,而外部钢套筒壁厚对其的影响不大;③将内套筒材料由铝合金换成钢,在其他条件不变的情况下,界面径向压应力会得到显著提高。     

复合材料沉头搭接强度与渐进损伤研究

基于三维渐进损伤理论,引入Tserpes失效准则及其改进的材料性能退化准则,建立复合材料沉头搭接结构的有限元模型。在试验验证数值仿真模型正确性的基础上,探讨了端距、板宽及拧紧力矩对接头强度的影响,并对搭接接头从初始损伤到最终失效的过程进行可视化模拟。结果表明,端径比由2到4、宽径比由3到5、拧紧力矩由0到5.9 N·m的过程中,接头强度明显增强,超过上述范围,强度增加不明显或不再增加。在静拉伸过程中,2号钉孔处复合材料板的损伤程度要比1号钉孔处严重,且2号钉孔的损伤扩展导致接头最终失效;90°铺层最先产生损伤,其类型主要为基体开裂,0°铺层损伤情况最弱,±45°铺层沿着-45°方向产生基体开裂,随后沿板宽方向产生大量纤维断裂。     

复合材料预紧力齿连接件剪切疲劳试验研究

研究表明复合材料预紧力齿连接接头具有良好的静力性能,但对其在循环载荷作用下的疲劳性能还没有深入研究。主要针对不同预紧力下的接头进行了大量疲劳试验,首先通过对试验结果的分析,讨论了预紧力对接头疲劳寿命的影响规律;然后分析了滞回曲线的变化规律,探讨了滞回曲线与接头疲劳损伤累积的关系;最后通过对试件疲劳断口的观察和分析,初步探究了接头的疲劳破坏机理。     

CFRP螺栓连接结构的渐进损伤研究和强度分析

为获得CFRP螺栓连接结构的动态损伤过程,采用基于渐进失效的研究方法,确立了拉伸载荷下CFRP螺栓连接结构的失效准则和材料性能退化模型,并在Abaqus Explicit显式分析模块中建立了螺栓连接结构的有限元模型,运用VUMAT子程序进行分析。文章分析了CFRP单螺栓连接结构受拉伸载荷时,5种损伤的扩展过程,并分析了"螺栓-孔"配合间隙对于CFRP单螺栓连接结构强度的影响,还在此基础上提出了CFRP多螺栓连接结构的强度优化方案。结果表明:基于渐进失效方法的有限元准静态分析能有效地模拟CFRP螺栓连接结构的损伤扩展过程;CFRP单螺栓连接结构中,连接强度会随着配合间隙的增大而降低;设置合适的配合间隙使CFRP多螺栓连接结构的整体强度提升了32.1%。     

基于有限元计算方法的聚乙烯脱气仓动态响应分析

以聚乙烯脱气仓为研究对象,采用壳单元、梁单元、螺栓预紧单元和接触单元建立了整个结构的空间有限元模型。通过有限元计算方法对脱气仓结构在风载荷和地震载荷下的动态响应进行了分析,得到了各部件的应力状态和支座螺栓预紧力变化情况。有限元计算结果表明:在地震载荷作用下壳体最大等效应力较风载荷增长了47.6%;支座位置螺栓最大预紧力需提高3倍以上才可满足支座连接强度要求。