航空结构宽板铆接搭接件承载性能数值研究

为研究飞机蒙皮铆接搭接结构的力学特性,基于ANSYS软件建立宽板三排铆钉搭接件的三维有限元分析模型。考虑物面间的非线性接触、铆钉与板孔间的干涉配合、铆钉预紧力的影响,应用非线性有限元法对宽板铆接搭接件在恒定远端拉伸载荷作用下的承载性能进行计算。通过读取沿预设路径的位移分布数据,获得宽板搭接件产生的次弯曲和第三弯曲的变形趋势。从搭接板等效应力云图可以看出,靠近宽搭接板侧缘的沉头铆钉孔周围应力集中比较严重。计算每个铆钉的钉传载荷,获得宽板搭接件铆钉承载的分布规律。在调整铆钉预紧力和钉孔干涉配合量的情况下,给出三排铆钉载荷传递比的变化情况。针对宽板铆接搭接件的力学特性计算分析,可以为后续的搭接件结构多处损伤裂纹扩展和疲劳寿命研究奠定基础。     

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。     

铆接面对飞机关键接头力学性能的影响研究

文中采用试验测试结合有限元仿真分析的方法,针对某小飞机机身与机翼关键接头,研究了加强筋铆钉连接的接触面与关键接头附近应力分布的关系,并进一步分析了高强度胶处理接触面对应力分布的影响作用。研究表明：当铆钉连接的两接触面接触不紧密时,接头传力性能较差,接头处易出现较大的应力集中,从而影响其结构力学性能;高强度胶粘接接触面可以大幅提高铆钉连接的传力性能,使接头附近应力集中大幅减小,从而改善其结构力学性能。     

铆接结构抗疲劳性的工艺影响分析

抗疲劳性是飞机铆接结构连接质量评定的关键因素之一,直接影响飞机结构服役安全。针对单钉铆接结构,以工艺参数镦头高度作为控制变量,通过有限元分析钉孔变形及细节应力分布,结合疲劳试验研究结构抗疲劳性的工艺影响,基于钉孔应力分布及疲劳试验提出一种镦头高度控制区间的估计方法。结果表明:控制镦头高度可以显著影响钉孔界面的应力状态分布,并可有效改善铆接结构的抗疲劳性,针对5/32英寸凸头铆钉连接的单钉铆接结构,推荐镦头高度控制区间为1.6 mm¹.9 mm。     

铆接工艺参数分析

为了充分了解铆接后铆钉及被连接件的残余应力分布状态,以及精确分析残余应力和铆接工艺参数之间的关系,采用非线性有限元分析软件ABAQUS建立了铆钉连接的参擞模型,通过准静态方式模拟了铆钉连接时铆钉和被连接件的变形过程.根据分析结果建立了残余应力和铆钉钉杆长度及钉孔间隙之间的关系式和关系曲面.结果表明,残余应力随着钉杆长度的增加而增大,而随着钉孔间隙的增大而减小,增加钉杆长度或减小钉孑乙间隙可有效增大残余应力,为实际的铆钉连接工艺过程提供了有益的指导.     

复合材料螺接力学行为精细化有限元分析方法

针对航空用纤维增强树脂基复合材料螺栓连接的力学行为研究难题,采用有限元软件二次开发的方法,提出了涵盖层合板高效建模、扭矩与预紧力关系、钉孔配合间隙与滑移过渡段、渐进损伤判断与性能退化等方面的精细化有限元分析模型。提出了基于应变等效原理的紧固件预紧力-扭矩试验测试方法,降低了紧固件预紧力-扭矩转换精度对数值模拟精度的影响。提出了基于修改螺栓头与层合板接触平面摩擦因数的方法以实现对含钉孔配合间隙的复合材料螺接接头的力-位移响应在滑移过渡段的较好模拟。复合材料单搭接螺接接头单剪试验和有限元预测的力-位移曲线对比结果显示极限载荷最大预测误差为17.2%,证明了所提方法能有效地预测复合材料单钉/多钉螺接结构的力学性能演变规律,且所提方法提高了预测结果与试验结果的匹配度,提升了有限元分析的效率,为航空先进复合材料连接结构的力学行为分析奠定了建模技术基础。     

长桁中断复合材料胶接加筋板的拉伸失效分析

通过对长桁中断复合材料胶接加筋板的拉伸试验和有限元模拟,研究了复合材料加筋板的破坏特性。结果表明:长桁端头有很高的应力集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;试件的破坏模式为蒙皮与长桁的筋条脱粘,脱粘起始于桁条端部,并沿着蒙皮与长桁的界面扩展;基于断裂力学失效准则的内聚力单元模拟胶接界面,可有效模拟复合材料加筋板的脱粘起始和扩展。验证了改进后的加筋板明显优于参考加筋板。讨论了几何参数对结构承载能力的影响,。     

单剪螺栓连接复合材料叠层板螺栓孔周边应力场分布

基于螺栓连接三维实体模型,研究螺栓-孔间隙、挤压面摩擦因数等因素对挤压面上的应力分布的影响。研究发现螺栓连接叠层板每层中在纤维方向上释向应力和周向应力达到最大值,单层板铺层方向是径向应力和周向应力的主要承载方向。螺栓-孔间隙对孔周应力的分布产生较大的影响,径向应力分布具有相似性,间隙越大,径向应力水平越高,最大周向应力反而有所减小,而且间隙的存在使得径向应力的分布发生改变,最大径向应力向外加载荷方向靠近;螺栓-孔接触面的粗糙程度对孔周应力的分布也产生较大的影响。随着摩擦因数的增大,最大径向应力随之减小;最大周向应力随着摩擦因数的增大而减小。     

复合材料L型筋条-蒙皮胶接界面失效过程的数值模拟

用自定义的缝线模型和Cohesive单元方法,模拟了复合材料非缝合/缝合胶接L型筋条-蒙皮结构胶接界面在拉脱载荷作用下的失效过程;分析了第一排缝线位置和筋条突缘宽度对界面强度的影响.结果表明:对于非缝合结构,在载荷中心线附近区域,裂纹扩展受Ⅰ,Ⅱ型裂纹的共同作用;远离载荷中心线的区域,裂纹扩展时Ⅱ型裂纹起主导作用;对于缝合结构,裂纹扩展过程中载荷出现多次波动,载荷在第一排缝线断裂时达到峰值(拉脱强度);将第一排缝线缝合在筋条倒角与蒙皮接触的切点处,结构的强度较第一排缝线距离中心线8 mm时的提高了118.5%;筋条突缘宽度从25 mm降为20 mm后,强度下降了约18.2%,而从20 mm降至15 mm,强度几乎没有变化.     

复合材料螺栓干涉连接结构压钉过程轴向力建模

复合材料干涉连接结构在螺栓压入过程中,由于螺栓杆与连接孔孔壁间存在显著的轴向相互作用,有可能在复材孔周引起分层损伤,更准确的控制轴向力对于提升复材干涉连接结构强度具有重要的意义。根据干涉配合螺栓压入过程中接触关系的变化,对压钉过程进行了阶段划分,并在经典层合板理论假设基础上,结合弹性力学复变函数方法,以干涉量为变量建立了螺接过程轴向力解析模型。基于ABAQUS软件,建立了干涉压入压钉过程的仿真模型,验证了解析模型的正确性。