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机械结构中受剪连接部位应力集中及相关力学性能研究

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机械结构中受剪连接部位应力集中及相关力学性能研究

作者：秦超扬州大学

学位级别：硕士

在机械连接结构中存在着大量紧固件连接,由于结构件在钉孔附近存在显著的应力集中,裂纹将首先在此萌生,进而导致结构件发生疲劳或断裂,使得连接结构失效。因此紧固连接结构的疲劳强度问题受到了广泛关注,尤其是在民机结构设计与分析领... 详细信息

在机械连接结构中存在着大量紧固件连接,由于结构件在钉孔附近存在显著的应力集中,裂纹将首先在此萌生,进而导致结构件发生疲劳或断裂,使得连接结构失效。因此紧固连接结构的疲劳强度问题受到了广泛关注,尤其是在民机结构设计与分析领域。目前,国内外民机结构耐久性评定主要采用的是疲劳分析和细节疲劳额定值(DFR)方法。当前,对于受拉结构一般采用应力严重系数(SSF)法对DFR方法进行拓展,而广泛应用于工程领域的疲劳寿命的估算方法一应力集中系数(SSF)法,其主要适用于受拉连接结构,而在通常的受剪连接结构中,不仅有剪切载荷的作用,同时仍有拉压载荷的作用,在分析中需要同时加以考虑,因此对于受剪结构而言SSF法不能直接适用,需要对DFR法进行改进,而在对DFR方法的改进与拓展研究中,最为关键的问题是钉载分配与应力集中问题。本文在经典弹性力学的基础之上,采用三维有限元方法,对双排多钉连接结构分别在受拉和受剪情况下的钉载分配、孔边危险点的应力情况进行了分析,研究了在受拉连接结构下影响钉载分配关系与孔边危险点应力集中情况的主要因素,包括板厚、材料性能、构件尺寸、及连接工艺等。重点研究了受剪连接结构中连接部位应力集中及相关力学性能问题,给出了受剪连接结构的钉载分配及应力集中问题的计算方法。并以试验验证了受剪情况下的钉载分配及孔边应力分布情况,实验结果、有限元结果、及理论分析的相关结果较为吻合,表明本文的计算、分析是正确的,得到了相关计算分析过程是合理的。论文主要研究内容有：(1)通过对剪切载荷作用下结构件中的紧固件连接情况、分布情况、及变形的分析,探讨结构件中的载荷传递规律,解决各紧固件的载荷分配问题;(2)在得到了紧固件载荷的情况下,针对钉孔作用区内的应力分布情况,解决剪切载荷作用下钉孔附近的应力集中问题;这一研究为后续的提出受剪连接情况下工程结构中应力集中分析方法,得到应力集中计算表达式,彻底解决这类问题奠定坚实基础：为受剪连接结构的疲劳分析奠定理论基础。

关键词：受剪连接应力集中钉载分配疲劳寿命有限元分析

连接孔垂直度误差对复合材料双钉单剪连接性能的影响

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连接孔垂直度误差对复合材料双钉单剪连接性能的影响

作者：徐茂青大连理工大学

学位级别：硕士

碳纤维树脂基复合材料具有比强度高和比模量大、抗疲劳性能好、减振性能好、破损安全性高、耐化学腐蚀等突出优点使其在轻量化设计中脱颖而出。随着其制造成本的下降,越来越广泛的应用在汽车车体结构中。机械连接是复合材料零件装配中... 详细信息

碳纤维树脂基复合材料具有比强度高和比模量大、抗疲劳性能好、减振性能好、破损安全性高、耐化学腐蚀等突出优点使其在轻量化设计中脱颖而出。随着其制造成本的下降,越来越广泛的应用在汽车车体结构中。机械连接是复合材料零件装配中最常用的方法,然而制孔破坏了复合材料纤维的连续性,使连接成为结构中最脆弱的一环。有必要深入分析制孔缺陷对复合材料连接性能影响,为结构设计提供理论依据。然而缺少针对连接孔垂直度误差的相应研究,所以本文展开了连接孔垂直度误差对复合材料双钉单剪连接性能影响的分析:(1)首先建立基于Chang-lessard损伤判据准则的渐进损伤模型。该模型考虑了非线性剪切应力应变关系,并且结合了材料性能突降退化的刚度折减方案。渐进损伤模型通过UMAT子程序在ABAQUS中实现,将开孔板拉伸的数值模拟结果和试验结果进行对比,获得较为吻合的结果,验证了渐进损伤模型的正确性。(2)设计并展开了复合材料双钉单剪连接的拉伸试验,获得复合材料双钉单剪螺钉连接的承载能力和破坏模式,得到垂直度误差对连接性能的影响。通过超景深观测结果对连接的损伤进行评价,研究碳纤维复合材料损伤破坏的机理。通过数值仿真和试验结果对照验证模型的正确性,然后由有限元展开对相关参数的分析。(3)对复合材料双钉单剪连接钉载分配进行分析,建立了复合材料双钉单剪的三维有限元模型,并且考虑了复合材料的损伤对钉载分配的影响。根据结果分析垂直度误差中倾斜角度和不同模式对钉载分配的影响。

关键词：碳纤维复合材料螺钉连接孔垂直度误差失效分析钉载分配

钛合金与复合材料壁板连接结构群钉载荷分配仿真与试验研究

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钛合金与复合材料壁板连接结构群钉载荷分配仿真与试验研究

作者：方志晓哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

飞机结构在大量使用碳纤维复合材料时,有很多复材结构与金属结构的连接节点,这种碳纤维复合材料与金属混合结构不可避免出现。例如,民航客机结构在重要接头处,采用钛合金与碳纤维复合材料连接结构。大型客机都是由各个部件通过各种紧固... 详细信息

飞机结构在大量使用碳纤维复合材料时,有很多复材结构与金属结构的连接节点,这种碳纤维复合材料与金属混合结构不可避免出现。例如,民航客机结构在重要接头处,采用钛合金与碳纤维复合材料连接结构。大型客机都是由各个部件通过各种紧固件连接组装而成的。A380客机即使通过大量使用复合材料整体结构减少了紧固件的使用,但是其紧固件使用量也达到了百万数量的体量。在这些连接结构的设计中确定每个紧固件的承载值是必要的,但是通过试验来确定每个紧固件承载值暂时无法实现。因此采用有限元方法,并通过恰当简化连接件模型,对连接件的每个紧固件进行钉载分配仿真分析是一种可行的方法。针对复杂群钉连接结构的仿真分析既要兼顾钉载结果的精度也要考虑连接模型在仿真中易操作性。为得到复杂连接结构群钉载荷分配结果,本文进行了以下研究内容:首先针对复合材料与铝合金的四螺栓单搭接试验结果,使用Patran软件进行仿真,采用壳单元模拟被连接板。并采用螺栓单元、点焊单元、梁单元、刚性连接单元四种连接模型,进行静力分析。并将四种连接单元的仿真结果中的钉载分配,应力集中情况与试验结果对比,得到精度高且易用的点焊单元。其次针对四种连接简化模型的被连接复合材料板进行失效分析,并定位最早失效层数。并与试验结果对比,得到点焊模型与螺栓模型的失效结果与试验破坏载荷误差较小。而梁单元与刚性连接单元失效结果与试验破坏结果差别很大。因此得到点焊单元与螺栓单元在连接仿真中更适用。而后进行了钛合金与复合材料壁板的连接结构的单向拉伸强度试验,通过测量结构件表面的应变值,得到结构的传载路径。为仿真分析群钉结构的钉载分配结果提供试验参考。最后,采用***、***、***软件完成了钛合金与复合材料壁板连接结构群钉载荷分配仿真。仿真采用一个点焊单元模拟了单剪螺栓连接和两个点焊单元模拟双剪螺栓连接。总共使用333个点焊单元,得到每个单元的承载值,定位了危险螺栓的位置。并与试验对比,确定了危险螺栓位置与试验结果一致。本文的仿真方法可为复杂连接结构件设计提供仿真验证。

关键词：钛合金与复合材料壁板连接结构钉载分配点焊连接单元螺栓仿真模型应力集中

含预变形条件下螺栓群剪力分配方案的优化与验证

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含预变形条件下螺栓群剪力分配方案的优化与验证

作者：王博艺哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

复合材料加筋壁板结构由于其优秀的结构性能广泛应用于飞行器的设计制造中,在实际工况中,飞机壁板结构真实的受力状态一般不会是单一的压缩或剪切,而是复合载荷状态,而处在压剪复合载荷下的机身壁板对结构的强度和稳定性要求非常严格,... 详细信息

复合材料加筋壁板结构由于其优秀的结构性能广泛应用于飞行器的设计制造中,在实际工况中,飞机壁板结构真实的受力状态一般不会是单一的压缩或剪切,而是复合载荷状态,而处在压剪复合载荷下的机身壁板对结构的强度和稳定性要求非常严格,由于轴压使壁板产生预变形,预变形下的螺栓剪力不均问题尤为突出,甚至出现方向相反的问题,对剪力的均匀加载产生了很大影响。如何实现剪力的均布施加成为了此类试验方案设计中的一个重要命题。本文以设计某典型1m级复合材料加筋壁板压剪复合载荷试验为工程背景,以受剪螺栓群单盖板、双盖板结构钉载分配的力学解析方法为理论基础,通过研究轴压使壁板、平板结构产生轴向预变形条件下螺栓群钉载分配的优化设计的影响因素,提出优化的数值分析方法和螺栓群加载方案,以此为基础对加筋壁板压剪复合试验方案进行了改进设计,以理论态仿真为分析工具,以试验态仿真为对比和检测手段,进行了可行性的仿真对比验证,为复杂载荷环境下平板、壁板结构试验均布剪力加载系统优化设计提供了一种可行性方案。在螺栓属性确定的情况下,传统的解析法获得的等截面盖板结构在弹性阶段的钉载分配呈两端大中间小的马鞍型分布,螺栓群剪力分配比例差值较大,采用优优化后解析法设计的变截面梯形截面盖板结构钉载分配明显优于传统的等截面盖板;通过改变螺栓的直径和材料属性,减小两端的螺栓直径和采用弹性模量更小的铝合金螺栓可以有效提高螺栓群的剪力分配均匀性;采用改进的力学数值计算方法可以有效应用于压剪复合载荷下的螺栓群结构,该解析法有效提升了传统力学方法的适用性,优化后的梯形变截面剪切板和螺栓属性结合,有效提高了含预变形构件的钉载分配比例。应用优化后的剪切板变截面设计解析法,对加筋壁板压剪复合试验方案进行改进,试验方案考虑了轴压使壁板产生预变形对剪力均布施加的影响,通过对剪切板的设计优化,克服了传统加载方式的边框效应,同时考虑了压缩载荷和剪切载荷中心的不共面问题,提出了一种能够均匀施加轴向压缩载荷和剪切载荷的实验加载方案,实现了压缩载荷和剪切载荷的可调性,为壁板在复合载荷下的试验方案优化设计提供了另一种可行思路,具有重要的工程借鉴价值。本文通过将夹具、连接方式和试件真实边界工况的引入,建立了基于工程实际的复材加筋壁板试验态仿真模型,与纯理论态模型下的数值模拟结果具有较明显差异,引入试验态仿真分析对工程实践中的数值理论精细化分析具有重要的参考价值。本文的分析对含预变形条件下承受复合载荷的平板、壁板结构钉载分配方案设计具有借鉴价值,为复材加筋壁板承受复合载荷下结构强度和稳定性分析验证试验的均布剪力加载优化方案提供了另一种思路。

关键词：复材壁板压剪复合预变形钉载分配优化设计

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复合材料螺栓连接的数值分析与强度预测

复合材料螺栓连接的数值分析与强度预测

作者：梅俊杰武汉理工大学

学位级别：硕士

复合材料具有比强度高、比模量高和可设计性等优异的特点,使其在航空航天结构中逐渐取代了金属的地位。但由于整体成型技术的限制,大型结构中通常会存在连接的问题。大型承力结构件通常会采用机械连接的方式,然而,复合材料固有的各向异... 详细信息

复合材料具有比强度高、比模量高和可设计性等优异的特点,使其在航空航天结构中逐渐取代了金属的地位。但由于整体成型技术的限制,大型结构中通常会存在连接的问题。大型承力结构件通常会采用机械连接的方式,然而,复合材料固有的各向异性特征,以及开孔对纤维连续性的破坏使得连接接头的损伤初始和损伤扩展十分复杂。因此,研究接头的失效机理,提升接头的连接效率具有重要的工程价值。本文以玻纤/乙烯基树脂体系为研究对象,使用真空辅助成型工艺制备试样。根据国标测得材料的基础力学参数,为有限元模拟准备基本的材料参数。对单钉单剪连接试样进行拉伸测试,测得不同预紧力和不同铺层顺序下连接接头的位移载荷曲线,并对比了这两种因素对接头失效模式的影响。同时综合文献中的退化方案对Tserpes刚度退化模型进行了改进,并结合Shokrieh失效准则对复合材料螺栓连接进行渐进失效分析,接头采用三维有限元模型建立,对层合板中的每个单层均使用正交各向异性实体单元建立,并考虑了接头各部件之间接触摩擦的影响。然后使用该模型研究了预紧力和过盈配合对单钉接头损伤初始和损伤扩展的影响,并对多钉连接中钉载分配均匀化的方法进行了研究。综合实验和有限元模拟结果发现:(1)合适的预紧力(本文为2kN)能增加接头的强度、提升接头的初始刚度并减少孔边破坏面积,而预紧力过大时会使得接头提前失效从而降低了接头的失效载荷;(2)采用0、90和?45均匀铺层的层合板接头失效载荷最大,失效模式为最安全的挤压失效,采用正交铺层的接头失效载荷次之,失效模式为剪劈失效,全部采用?45铺层的接头失效载荷最小,失效模式为拉伸失效;(3)施加过盈配合后均会对接头产生初始损伤,但适当的过盈量(本文为1.5%)能延缓损伤的扩展,使孔边破坏单元均匀分布,增加接头的失效载荷,而过盈量过大时,孔边单元会出现大面积的失效,反而降低了接头的载荷;(4)相比于弹簧元模型,使用有限元模型计算的钉载分配比例更为准确,单独使用间隙配合和过盈配合均能降低最大钉载处的承载比例,对于两搭接板刚度相差较大的结构,同时使用这两种配合方式能有效均匀分配各钉承载比例。

关键词：复合材料螺栓连接渐进失效损伤扩展钉载分配

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飞机结构多钉连接有限元计算与分析

航空工程进展 2012年第4期3卷 457-462页

作者：陈海欢刘汉旭李泽江上海飞机设计研究院强度设计研究部上海200232

多钉连接是飞机零部件的常用连接方式,而飞机结构的破坏也多源于这些连接细节,确定各紧固件所传递载荷是连接件强度校核的关键。基于***有限元分析软件,用四种简化模型计算分析单搭接多排钉连接结构的钉载分配,并对其进行对比研究。结... 详细信息

多钉连接是飞机零部件的常用连接方式,而飞机结构的破坏也多源于这些连接细节,确定各紧固件所传递载荷是连接件强度校核的关键。基于***有限元分析软件,用四种简化模型计算分析单搭接多排钉连接结构的钉载分配,并对其进行对比研究。结果表明:采用CBAR/RBAR/CBUSH组合单元模拟紧固件可准确计算钉载,适于飞机结构连接强度分析;与紧固件组钉载分配工程估算方法相比,采用该组合单元有限元方法可有效提高计算精度。

关键词：飞机结构机械连接紧固件组钉载分配有限元

复合材料层板任意排列多孔机械连接的钉载研究

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飞机设计 1994年第3期14卷 22-30页

作者：邱春图

本文应用各向异性体弹性力学理论及Faber级数理论,导出了解决复合材料层板多孔机械连接问题的有效方法,它可以有效地用于分析多孔连接的应力集中、载荷分配、连接强度等问题。作为应用,文中给出了计算实例及各参数对钉载分配的影响,得... 详细信息

本文应用各向异性体弹性力学理论及Faber级数理论,导出了解决复合材料层板多孔机械连接问题的有效方法,它可以有效地用于分析多孔连接的应力集中、载荷分配、连接强度等问题。作为应用,文中给出了计算实例及各参数对钉载分配的影响,得到一些具有重要意义和实用价值的结论。

关键词：复合材料结构多孔连接钉载分配

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复合材料螺栓连接失效分析研究进展

强度与环境 2017年第3期44卷 1-11页

作者：赵丽滨刘丰睿黄伟张建宇北京航空航天大学宇航学院北京100191 重庆大学航空航天学院重庆400044

复合材料螺栓连接具有可靠性高和易检测等优点,是复合材料结构最重要的连接形式。但是由于复合材料的各向异性、脆性以及孔边应力集中的存在,螺栓连接是复合材料结构承载的薄弱环节,已引起研究者广泛关注。本文对复合材料螺栓连接结构... 详细信息

复合材料螺栓连接具有可靠性高和易检测等优点,是复合材料结构最重要的连接形式。但是由于复合材料的各向异性、脆性以及孔边应力集中的存在,螺栓连接是复合材料结构承载的薄弱环节,已引起研究者广泛关注。本文对复合材料螺栓连接结构的钉载分配测试和分析方法,螺栓连接结构的失效预测方法及设计参数对接头失效的影响研究等进行了简要综述,着重介绍了课题组近年来在这些方面的研究工作。

关键词：复合材料螺栓连接静力分析钉载分配失效预测参数影响

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机械连接结构中紧固件附近的力学性能

机械工程与自动化 2015年第5期 43-45页

作者：秦超扬州大学机械工程学院江苏扬州225127

在经典弹性力学和弹簧模型方法的基础之上,采用ANSYS三维有限元方法,对单排多钉连接结构的钉载分配、孔边危险点的应力情况进行了分析,研究了影响钉载分配关系与孔边应力分布情况的主要因素,包括板厚、材料性能、构件尺寸及连接工艺等,... 详细信息

在经典弹性力学和弹簧模型方法的基础之上,采用ANSYS三维有限元方法,对单排多钉连接结构的钉载分配、孔边危险点的应力情况进行了分析,研究了影响钉载分配关系与孔边应力分布情况的主要因素,包括板厚、材料性能、构件尺寸及连接工艺等,重点探讨了板厚、材料刚度对孔边应力集中的影响。

关键词：钉载分配孔边应力集中紧固件力学性能