复合材料干涉连接结构多界面夹紧力有限元分析

建立了碳纤维增强复合材料(CFRP)的单搭接螺栓连接结构三维模型,在充分考虑材料属性及接触关系的基础上,进行了干涉配合状态下孔周应力状态和夹紧力分布的数值模拟与分析。结果表明:在预紧力沿模型板厚方向的传递过程中,螺栓与孔壁接触界面的摩擦力会直接抵消部分作用力,导致自螺母端至螺栓钉头端夹紧力逐渐降低,降低的幅度与速率受到预紧力大小和孔周应力状态的影响。     

轴向激励下螺栓连接结构有限元分析

利用软件ABAQUS建立螺栓连接结构有限元模型，分析不同预紧力、载荷幅值作用下螺纹接触界面的应力应变分布，讨论轴向激励下螺栓轴向力的衰减行为。结果表明，第一圈工作螺纹根部Mises等效应力和累积塑性应变最大，说明螺栓在此处发生疲劳断裂的风险最高。螺栓连接结构分离后螺纹承载面的滑移幅值迅速上升，且上升幅值随着工作螺纹圈次的增加而减小，从而造成单位面积耗散能随工作圈次的增加而减小的现象。经过第一次循环加载后，螺栓轴向力降幅较大。同时，螺纹间的相对滑动和材料的塑性变形是螺栓轴向力下降的主要原因，其中后者的影响尤其明显。     

高锁螺栓干涉连接中极限干涉量

干涉配合是提高螺栓连接疲劳寿命的有效工艺方法,针对钛合金高锁螺栓的干涉配合静态压入过程,建立有限元模型并进行数值模拟.分析不同干涉量下螺栓上最大应力、孔壁上最大应力值和叠层板上应力分布特点.结果表明,采用静态压入方法的最大干涉量为2.0％,并分析塑性区随干涉量的变化特点及数值模拟结果中的凸瘤大小.在数值模拟的基础上进行高锁螺栓液压压入试验,通过对比试验和模拟压入力的峰值、历史曲线和孔出口处凸瘤大小,有限元模拟得到了验证,利用有限元结果分析带孔边压痕的试验件孔口易产生裂纹的根本原因,并分析试件孔口凸瘤范围大小对结构疲劳磨损的影响,得出干涉量不宜超过2.0％.     

胶-螺混合连接结构的传力分析

建立了胶-螺混合连接结构的有限元模型,并进行了传力分析研究。利用粘聚区模型模拟胶层的失效过程,并考虑了金属结构的塑性变形。同时,通过胶接、机械连接及胶-螺混合连接三种形式分别进行了方法的验证,试验结果和模拟结果吻合较好,证明了所采用的胶-螺混合连接分析方法的有效性。另外,分别建立了单钉和双钉胶-螺混合连接结构模型,分析发现相对于胶接结构,单钉混合连接结构的承载能力并不会有明显提高。同时发现两钉胶-螺混合连接中两螺栓外侧的胶层由于较大的面外力会很快发生破坏,而两螺栓内侧的胶层由于螺栓的法向作用使得其只受纯剪切力,从而提高了该区域胶层的承载能力。鉴于此对混合连接构型进行了改进设计,很好地提高了连接强度。     

多螺栓连接结构预紧力实验研究

开展多螺栓连接结构预紧力实验研究,获得了其在纯拧紧力矩作用下的预紧力及其响应规律。研究采用应变片测试方法,首先对单螺栓连接结构进行了预紧力实验,获得了不同拧紧力矩条件下螺杆上的轴向应变、轴向应力及预紧力,并通过与经验公式计算结果比较,验证了预紧力测试方法的合理性。在此基础上,开展了多螺栓连接结构预紧力实验研究。为比较相同拧紧力矩条件下,多螺栓连接结构与单螺栓连接结构预紧力水平间的差异,定义了预紧力比例因子K_(pro)。实验结果表明,由于螺栓组内部各螺栓间的相互影响,其预紧力水平明显低于单螺栓结构,并与螺栓拧紧状态相关。就本文所采用的多螺栓连接结构而言,在拧紧力矩较低、螺栓尚未完全拧紧时,K_(pro)为0.7~0.8,其预紧力水平为单螺栓结构的0.7~0.8倍;当拧紧力矩较高、螺栓处于稳定的拧紧状态时,K_(pr)为0.6左右,其预紧力约为单螺栓结构的0.6倍。     

偏心载荷作用下螺栓连接结构的松动行为研究

在不同试验参数下,采用自主设计的螺栓加载装置,系统地开展偏心载荷作用下螺栓连接结构的松动试验。通过获取螺栓轴向力时变曲线,研究偏心载荷作用下螺栓连接结构的松动行为;运用三维显微镜(Optical microscope,OM)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)以及X射线电子能谱仪(Energy dispersive X-ray,EDX)等分析方法对试验后的螺纹接触表面进行损伤形貌分析,深入讨论螺纹接触界面的微动运行行为(微观滑移和微动磨损)对螺栓松动的影响规律,进一步揭示螺栓连接结构的松动机理。结果表明:在偏心载荷作用下,螺栓轴向力表现出明显的下降趋势,但拧松力矩变化较小。螺栓轴向力的下降过程可以分为两个阶段:(1)由于螺纹接触表面粗糙峰被去除和连接结构的塑性变形,轴向力迅速下降;(2)由于材料的棘轮效应,塑性变形趋于安定极限,螺纹接触面之间的微动磨损导致螺栓轴向力缓慢下降。螺纹接触面之间的损伤机制主要表现为疲劳磨损,并伴随磨粒磨损和黏着磨损。此外,运用ABAQUS对试验过程进行数值模拟,其计算结果与试验结果相互吻合。     

温度对复材与金属混合结构钉载分配的影响

层合板复材与金属连接混合结构已经大量应用于飞机机身和机翼的设计之中。连接部位往往是结构最危险部位,如何提高连接部位的安全性已经成为飞机设计人员关切的主要问题之一。鉴于此,以承受拉伸载荷的层合板和铝合金连接结构为研究对象,针对五螺栓单剪搭接及双剪对接结构模型,同时考虑温度载荷、数值仿真温度对复材与金属混合结构钉载分配的影响。仿真结果表明:复材与铝合金混合结构钉载分配呈U形分布,中部低,两侧高;温度载荷对两侧钉载分配影响较大。分析结果对复材与金属搭接设计具有一定的参考意义。     

螺栓连接结构的一种简化数值模拟方法

螺栓连接广泛存在于航空、航天以及武器等工程实际结构中。对剪切式8.8级准6螺栓螺栓连接结构,利用50t结构试验机,研究一种典型螺栓连接结构的非线性静力学行为。实验设计了整体对比试验件、研究型试验件,其中整体对比试验件用于分析、量化试验及材料性能的分散性及消除端部效应,研究型试验件用于研究螺栓连接结构的非线性静力学行为及非线性力-位移内蕴关系。通过实验研究,初步建立剪切式螺栓连接件唯象等效模型,将获得该模型推广应用至一种典型螺栓连接结构的连接单元简化数值模型。最后,将螺栓连接结构简化计算结果同试验、精细模型结果进行了对比分析,验证了使用连接单元对螺栓连接结构进行简化有限元数值模拟的有效性。     

轴套长度对被连接件压缩变形体形状影响的研究

螺栓连接结构在其夹紧区域内压缩变形量的计算会受到压缩变形体形状的影响.为了探究更适宜的压缩变形体等效方式,基于压应力4次分布理论修正了与轴套接触的被连接件内压缩变形体的最小外径,得到被连接件轴向压缩变形量的修正解析式.对有限元仿真的节点应力进行曲线拟合和数值积分计算,得到螺栓的轴向压缩变形量.结果表明:螺栓连接结构夹紧区域内压缩变形体为平头圆锥、圆柱与双平头圆锥的组合形式更为恰当,与轴套接触的被连接件内压缩变形体的最小外径修正为轴套外径与螺栓头支承面直径平均值的1.4倍时,其相对误差不超过7.49％;采取正确的压缩变形体等效方式并引入被连接件压缩变形体最小外径的修正有利于计算含有轴套的螺栓连接结构的轴向压缩变形量.     

角度误差下管路连接结构装配及其对密封的影响

基于螺栓预紧力公式推导管路连接结构扭拉关系公式,建立管路连接结构有限元模型,对复合管路连接结构扭矩与预紧力关系进行仿真求解和理论计算。所建立的管路连接结构仿真模型计算结果与理论公式计算结果相对误差较小,验证了有限元模型的有效性。在复合管路连接结构拧紧模型的基础上,研究安装角度偏差对拧紧过程和密封性能的影响规律。研究结果表明：存在角度偏差时拧紧过程分为非线性贴合阶段和线性拧紧阶段;随着角度偏差的增大密封环宽度不断减小,且大球头密封环宽度减小速度大于小球头;随着角度偏差的增大,复合管路连接结构预紧力不断降低,装配无法达到预期效果。