碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板干涉连接插钉轴向力建模与分析

碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）构件干涉配合连接的插钉轴向力过大会引起层合板弯曲和分层,严重影响产品的安全性。针对CFRP层合板的高锁螺栓干涉连接过程,分析了其制孔、插钉及拧紧等装配连接工艺,将其干涉插钉过程划分为4个阶段,并对各个阶段进行了详细的力学行为分析;对螺栓杆处和倒角处的挤压力和摩擦力分别进行力学建模,并结合各作用力的边界条件与阶段划分,构建了干涉插钉全过程的轴向力模型;通过ABAQUS有限元模拟了CFRP层合板干涉插钉工艺过程,并开展了干涉螺栓安装实验,对比分析了层合板孔周径向挤压应力分布和插钉轴向力变化规律,解析结果与模拟和实验结果吻合较好,为后续CFRP层合板的插钉分层损伤和工艺优化研究奠定基础。      

过盈配合和预紧力的混合作用对复合材料机械连接结构的影响及其机制

为研究钉孔过盈配合情况和紧固件预紧力及二者混合作用对复合材料连接强度的影响及其机制,提出了一种基于试验验证的有限元方法,在有限元模拟结果与两组不同配合复合材料与钛合金单剪双钉连接拉伸试验吻合良好的基础上,进一步模拟6种不同螺栓预紧力和7种不同钉孔配合模式的组合,共42种不同情况的结构承载能力。通过对模拟结果的分析发现：一定的干涉配合值和预紧力虽然可能导致钉孔周围在受载较小时提前出现较小破坏,但在载荷较大时反而可以改善孔周的接触条件,从而减小孔周的纤维破坏范围,并最终提高连接结构的破坏载荷。而且钉孔配合情况和螺栓预紧力对连接结构承载能力会相互影响,即在不同钉孔配合情况下所得到的紧固件预紧力优化值会有所不同,反之亦然。因此在进行复合材料机械连接结构承载能力优化时,必须同时考虑不同参数的影响,才能获得最优的结构设计。     

分层对复合材料机械连接结构承载能力的影响

针对含孔边分层复合材料沉头螺栓连接结构,通过挤压试验及有限元仿真,研究了孔边分层对复合材料连接结构力学性能的影响。通过连接孔的挤压试验,得到了不同类型试验件的承载能力与破坏模式。有限元仿真中,基于ABAQUS有限元分析软件建立了复合材料机械连接的三维有限元模型,进行复合材料渐进失效损伤模拟,并采用内聚力单元来模拟预制分层。有限元计算得到载荷-位移曲线和变形模式与试验吻合较好,从而验证了有限元模型的有效性。在此基础上,分析了含孔边分层的复合材料机械连接结构的破坏机制,并研究了分层位置、分层面积大小和分层形状对该结构承载能力的影响。研究表明：复合材料的破坏始于沉头孔中的直孔区域,且当预制分层位于直孔区域时,结构的承载能力最低;分层形状为圆形和正方形时,会严重影响结构的承载能力,分层形状为椭圆形时,对承载能力影响较低。无论分层形状如何变化,分层总是从受挤压的一侧开始,以半圆弧的形状向受挤压方向进行扩展。     

3钉带衬套复合材料/金属接头拉伸疲劳性能

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应用,需要对其疲劳性能进行研究.本工作在单搭接 3 钉带衬套碳纤维复合材料/钛合金沉头螺栓连接接头实验研究基础上,建立复合材料及金属结构的疲劳分析模型,对结构的疲劳性能进行有限元分析,并与无衬套接头模型进行对比,研究衬套对接头疲劳性能的影响.结果表明,使用衬套比仅采用螺杆过盈装配能够更加有效地提升接头的疲劳寿命,其中层合板寿命提高了约 3 .6 倍,钛合金板寿命提高了约 2 .7 倍,螺栓寿命提升了约 1 4 倍,并且仅出现钛合金板破坏,紧固件不破坏.结合实验结果分析发现,由于复合材料和金属材料自身疲劳性能的差异,其机械连接结构的疲劳破坏模式会因载荷水平的不同而发生变化;当载荷水平较低时,金属结构更容易发生破坏.     

钛合金干涉螺栓应力波安装质量模拟研究

提高干涉螺栓安装质量是提高螺接接头连接效率的有效途径.为了提高钛合金干涉螺栓安装质量,建立钛合金干涉螺栓有限元动态安装模型,研究干涉量、摩擦因数和安装次数对接头安装质量的影响,并结合试验对安装模型进行验证.结果表明:应力波安装阻力小于强迫安装;1.0%干涉量下安装孔壁挤压不充分,2.0%干涉量时会引起孔壁划伤,1.5%干涉量下安装孔壁表面质量最优;1.0%和1.5%干涉量下安装阻力对摩擦因数不敏感,但干涉量增加到2.0%时,安装阻力和最大凸瘤高度随摩擦因数增大而显著增加;二次安装导致安装阻力和最大凸瘤高度大幅上升,安装孔壁形成明显层叠累积.综上所述,工程实践中推荐使用1.5%干涉量,以保证安装孔壁表面质量.为了提高经济效益,摩擦因数选择0.1~0.15,多次安装应避免使用.干涉量大于1.5%时,应通过多次铰孔、改善螺栓表面润滑效果等方法尽可能降低摩擦因数,进而有效减小安装阻力和最大凸瘤高度.     

螺栓夹持填充孔复合材料层压板层间应力分析

为了研究含螺栓复合材料层压板连接接头的层间应力分布规律,提出了采用填充孔形式和虚拟界面层方法求解层间应力,并建立了三维有限元模型对受面内压缩载荷的螺栓夹持填充孔层压板进行分析。结果表明:层压板层间应力集中不仅发生在孔边,还会在螺栓头边缘附近出现,且夹持力越大螺栓头边缘附近的层间应力集中越严重;合理的螺栓夹持力能改善孔边应力状态,提高孔边抵抗分层的能力,但无法改善螺栓头边缘附近的层间剪切应力集中状态。因此,在进行含螺栓夹持的层压板机械连接结构孔边层间强度设计时,也要考虑螺栓头边缘的层间剪切应力集中问题,以提高复合材料结构的安全性。     

干涉对复合材料层合板连接系统的极限挤压强度影响

本文对复合材料层合板单面螺纹抽钉紧固件干涉配合连接结构和高锁螺栓间隙配合连接结构的静挤压强度进行了试验研究.分别考虑了不同干涉量配合和间隙配合对紧固件连接结构极限挤压强度的影响.在静拉伸试验中,采用了卡口引伸计来实时监测孔的变形量.根据ASTM D 5961挤压试验方法标准,得到极限挤压强度及偏移量为2%的2%偏移挤压...     

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。      

碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制,采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式,仿真CFRP层合板刚度退化,采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化,建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型,有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度L_a为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数,螺栓的位置不会明显影响接头的刚度,粘结面积越大,强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下,由于二次弯曲效应的影响,螺栓向左倾斜,搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧,并由外侧向内部扩展到钉孔附近,当胶层损伤扩展到钉孔附近时,螺栓承载增加,胶层和螺栓共同承载,此时CFRP层合板开始出现损伤;最终,左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。      

复合材料层合板机械连接结构累积损伤模型和挤压性能试验研究

建立了三维累积损伤有限元模型, 采用扩展拉格朗日乘子法对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行了模拟。对复合材料层合板中纤维断裂、基体开裂和纤维2基体剪切3 类基本损伤类型的产生、扩展以及它们之间的关联性进行了研究。计算得到了复合材料层合板单钉连接结构的载荷2位移曲线, 预测了它们的初始挤压破坏载荷。同时, 进行了T300 帘子布/ Q Y8911 双马来酰亚胺树脂层合板单钉单搭螺栓挤压强度试验,验证了不同铺层类型和结构尺寸对复合材料层合板机械连接挤压性能的影响。试验结果和计算结果吻合较好, 证明了该模型和算法的有效性。