第41卷第4期 2015年8月 东华大学学报(自然科学版) JOURNAL 0F D0NGHUA UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) Vo1.41,NO.4 Aug.2015 文章编号:1671—0444(2015)04—0438—05 复合材料螺栓连接载荷分配的数值模拟 龚 潇,于随然 (上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240) 摘要:航空结构中复合材料多钉螺栓连接中存在载荷分配不均匀现象.为衡量载荷的不均匀程度, 定义了载荷不均匀度的概念.基于ABAQUS 6.1O采用三维有限元数值模拟技术建立了复合材料 单列4排单搭接三维有限元模型,有限元模拟计算结果与试验结果一致.基于载荷不均匀度,使用 三维有限元模型分析了几何参数、板间摩擦和预紧力对载荷分配的影响,结果表明载荷不均匀度有 助于定量化研究载荷分配问题和找到均匀化策略. 关键词:载荷不均匀度;复合材料;螺栓连接;载荷分配;均匀化 中图分类号:TH 122 文献标志码:A Numerical Simulation for Load D istribution of Composite Bolt Joint GONG Xiao,YU Sui—ran (School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China) Abstract:Unevenness of load distribution exists in composite muff—bolt joints in aerial structures.The notion of load unevenness is defined in order to measure the degree of the unevenness in load distribution. Three—dimension finite models of single—lap,4-bolt composite joints are built with ABAQUS 6.10,and the simulation results agree to the experiment results.Based on load unevenness,the impact of geometric parameters,friction and preload on load distribution are analyzed.The results show that the load unevenness is beneficial to the study of the problem of load distribution quantmcational1y,which focuses on figuring out the equalization of bolt load. Key words:load unevenness;composite;bolt j oint;load distribution;equalization 复合材料具有比刚度和比强度高、抗疲劳性能 优良、耐腐蚀性强、铺层顺序和角度设计性强等优 点,其用量已成为衡量飞机设计先进性的重要标志 之一.连接问题则是复合材料使用的关键.通常情况 下,多钉机械连接件的各钉载荷会因材料、结构尺寸 件的整体强度和连接效率.载荷分配一直是复合材 料机械连接的一个重要问题,国内外学者对此做了 大量研究工作. 解析法、试验法和数值法是目前对复合材料机械 连接的主要研究方法,它们各有优缺点.文献[1~2] 提出了针对不同因素的解析计算方法计算钉载分配, 虽简单快捷但只能得到单一的载荷分配结果,难准确 获得孔边应力分布.文献[3]利用螺栓植入传感器法 直接测量了钉孔间隙对复合材料多钉连接载荷分配 等参数的不对称而分配不均.但在多钉金属连接中, 载荷的增加会使受大载荷的孔周围先出现塑性区, 使各孔的载荷重新分配至趋于均匀.但复合材料不 存在塑性区(近似脆性材料),其连接无载荷重新分 配能力,故会出现载荷分配严重不匀,影响机械连接 收稿日期:2015-01-29 的影响.文献E43试验研究了间隙对多钉载荷分配的 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51135004) 作者简介:龚潇(I989),男,四川I眉山人,硕士研究生,研究方向为复合材料机械连接优化设计.E—mail:EMBxiaogong@sjtu.edu.cn 于随然(联系人),男,教授,E—mail:sryu@sjtu.edu.cn 第4期 龚 潇,等:复合材料螺栓连接载荷分配的数值模拟 439 影响.试验法直观简便,能反映实际应用中的载荷情 况,有结构针对性,但对试验件的加工精度要求高,耗 财耗时耗力,测量方法及数据准确性也需进一步提 P 一·一P 时,U 一0.不均匀度U 的值越大,表 明螺栓连接的载荷分配越不均匀. 同时,应该注意影响因子 的数列{仉}为单调 高.数值法易于进行参数化研究,为大部分研究者所 采用.文献E5]使用有限元分析等方法对复合材料螺 栓连接的钉孔间隙做了大量研究工作.文献I-6]采用 递减数列,其物理意义在于表明载荷比例偏离最多 的几个钉孔对整个连接的载荷不均匀度影响最大, 这与复合材料螺栓连接中与理论载荷平均值偏离最 多的一个或两个钉孑L往往是设计中考虑的重点这一 Glabal-Local法研究了复合材料厚板多钉连接的应力 状况.文献[73研究了在拉伸载荷下,复合材料连接的 参数如搭接形式、连接板刚度比、间隙和干涉配合等 情况吻合.u 值针对复合材料螺栓连接的载荷分配 问题,更能客观地反映出结构的整体不均匀度,对螺 对螺栓连接结构载荷分配的影响. 上述这些研究主要着眼于载荷分配的计算和测 量以及影响因素分析,很少关注载荷不均匀现象本 身,没有统一的标准来衡量连接的载荷不均匀程度. 本文提出并定义了载荷不均匀度的概念,用来衡量 复合材料多钉螺栓连接的载荷不均匀程度.建立三 维有限元分析模型,并用表面电测法试验验证其有 效性.以载荷不均匀度为基础,研究几何参数、板间 摩擦和预紧力等对载荷分配均匀化的影响. 1载荷不均匀度 针对复合材料螺栓连接的载荷分配不均问题, 本文定义了载荷不均匀度U 的概念,对复合材料7"/ 钉螺栓连接结构,其具体定义如式(1)所示. U 一∑If 【 音 L fI P 一 I』 × l]J ×1oo (1) 式中:P 为螺栓所传递的载荷比例,P ∈[O,1]; 为P 对整体不均匀度的影响因子, E(0,1). P 的定义如下:将7/"钉螺栓连接中各钉的载荷 l 1 l 比例P 按II P 一÷l的值由大到小排序得到 l 『P 一 I≥l P2一 l≥…≥I P 一 I. 对 采用类似的等比数列的定义方式,用来衡 量各钉的载荷不均匀性对整个结构影响的关键程度 和大小,具体定义如式(2)所示. 一{ 。qH,其中q— 1, E E2, 一13(2) + , — 通过以上定义不难看出∑ 一1,当多钉连接载荷 弃伞集中于一个螺栓卜时。U 取得最大值;当P 一 栓连接的结构设计具有实际的参考价值.基于不均 匀度U 进行载荷分配的影响因素的参数化研究,能 更加直观定量地评估各因素对载荷分配的影响. 2有限元模型与试验验证 本文的试验件及有限元模型为碳纤维复合材 料一铝合金单列4排单搭接连接结构.采用三维有限 元模拟技术来计算载荷分配情况. 2.1有限元模型的建立 连接板的几何参数:长为278 mm,宽为48 mm, 边距为24 mm,端距为24 mm,排距为36 mm,孔径 为8 mill,如图1所示. 278 图1连接板的几何参数 Fig.1 Geometric parameters of plate 材料参数:复合材料层合板材料为HTA6376 (材料特性如表1所示),40层铺层,每层为 0.13 mm,总厚度为5.2 mm,铺层顺序为E45/o/一 45/0/9o/0/45/O/一45/0]2s.金属板材料为航空专 用的7075一T651铝合金,杨氏模量为69GPa,泊松 比为0.33,屈服强度为503 MPa,抗拉强度为572 MPa,密度为0.281 g/mm。.高强度螺栓材料为 3O CrMnSiA,杨氏模量为196 GPa,泊松比为0.3. 表1 HTA6376材料特性 Table 1 Material property of HTA6376 注:ENN,Eoo,Epp分别为单向板纵、横、轴向的杨氏模量;GN(J,GNP, Gop分别为单向板纵、横、轴向的剪切模量; No, NP, ()P分别为单 向板纵、横、轴向的泊松比. 第4期 龚 潇,等:复合材料螺栓连接载荷分配的数值模拟 441 式(1)和(2)得到各自的载荷不均匀度U 值,分析参 数变化对载荷分配不均匀度的影响. 3.1排距的影响 在不同排距/孑L径比值(p/D)的情况下,连接各 钉的载荷分配比例模拟结果如表3所示.对表3中 的数据进行处理,可得到载荷分配不均匀度U 随排 距/孑L径比值的变化情况如图5所示. 表3不同排距/孔径(rID)的钉载分配} 例模拟结果 Table 3 Simulation results of load distribution of bolt joints with different p/D p/D Pi P2 由表3可知,随着排距/孔径比值的增大,1和 2号螺栓的承载比例上升,3和4号螺栓的承载比例 下降,但螺栓整体的载荷分配均匀化却无法得知.而 由图5可知,复合材料螺栓连接的载荷分配不均匀 度己, 值随着排距/孔径比值的增大而增大,即螺栓 连接的载荷分配不均匀程度上升了.由此表明,使用 载荷不均匀度【, 可有效直观地反映各钉载荷比例 变化时连接载荷均匀化程度的变化情况,为均匀化 设计提供参考. 图5载荷分配不均匀度 随排距/子L径比值变化图 Fig.5 The variation of U with different value of p/D 综上所述,从载荷均匀化的角度出发,在设计几 何参数时,应尽量减小排距/孔径的比值,减小最严 重受载螺栓的载荷比例,降低连接的载荷不均匀度. 3.2边距的影响 在不同边距/孑L径比值(S /D)情况下,连接的 载荷分配不均匀度模拟结果如图6所示.由图6可 知,增大边距/孔径比值可以有效降低连接的载荷不 均匀度,有利于改善螺栓连接的载荷分配不均匀情 况.但同时须注意到,边距增大时会使得连接的载荷 效率下降,从而降低连接效率,因此,单纯地增大边 距并非最理想的载荷均匀化手段. 图6载荷分配不均匀度U。随边距/子L径比值的变化图 Fig.6 The variation of Ue with different value of S f D 3.3端距的影响 在不同端距/孑L径比值(e/D)情况下,连接的载 荷分配不均匀度模拟结果如图7所示.由图7可知, 载荷分配不均匀度U 随着端距/孔径比值的增大而 上升,表明 /D值越大,越不利于载荷的均匀分配. 图7载荷分配不均匀度【, 随端距/孔径比值的变化图 Fig.7 The variation of U with different value of e/D 因此,在进行载荷分配均匀化设计时,在设计允 许的范围内,应尽量选取较小的端距/孔径比值,以 减小螺栓连接的载荷不均匀度. 3.4预紧力的影响 通过改变施加于三维有限元模型中的螺栓载 荷值来调整对该螺栓所施加的预紧力.载荷不均匀 度己, 随螺栓预紧力的变化情况如图8所示.从图 8可较直观地看出,随着预紧力的上升,载荷不均 匀度U 呈上升趋势,但上升的幅度 ̄lL'b.预紧力从 2 kN增长到12 kN,(,, 值仅增加了2 左右.这说 明预紧力上升会使复合材料螺栓连接的载荷更加 不均匀,但不均匀性的增加很小,在一定条件下 可忽略. 442 东华大学学报(自然科学版) 第41卷 31.4 31.2 31.0 30 8 3O.6 30.4 3O.2 30 0 29.8 29.6 29.4 图8载荷分配不均匀度u 随预紧力的变化图 Fig.8 The variation of U with different value of preioad 因此,当只考虑载荷分配均匀化时,不宜对螺栓 施加过大的预紧力,但过小的预紧力会降低连接的 强度,这是设计时应极力避免的.考虑到预紧力对载 荷分配的影响并不是很明显,可优先考虑连接强度 的要求,在满足强度要求的情况下选择尽量小的预 紧力以均匀载荷. 3.5板间摩擦的影响 在不同的板问摩擦因数 条件下,连接的载荷 不均匀度模拟结果如表4所示. 表4载荷分配不均匀度U 随板间摩擦因数.I‘的变化 Table 4 The variation of U with different value of.1l between the plates 摩擦因数0.01 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 U /% 32.2 32.4 32.7 32.8 33.1 33 4 由4可知,随着板间摩擦因数的增大,载荷不均 匀度U 缓慢上升,前后增幅不超过2.5 ,说明板间 摩擦增强会对载荷分配均匀化有不利影响,但影响 程度不大,在一定条件下可忽略. 4 结 语 本文通过对复合材料多钉螺栓连接的载荷不均 匀程度的数值模拟研究,可得到以下结论: (1)载荷不均匀度U 可灵敏直观地反映各钉载 荷比例的变化时,螺栓连接的载荷均匀化程度的变 化,为均匀化设计提供参考; (2)从载荷均匀化的角度考虑,在设计几何参 数时应使排距/孑L径比值(p/D)和端距/孔径比值 (e/D)尽量小,同时选择适中的边距值; (3)预紧力增大会使复合材料螺栓连接的载荷 不均匀度上升,但上升幅度很小(在一定条件下可忽 略),在确定预紧力时可以优先考虑连接强度的要 求,在满足强度要求的情况下选择尽量小的预紧力 以降低载荷不均匀度; (4)板间摩擦因数的增大,会使载荷不均匀度 上升,但上升幅度并不大,在一定条件下可忽略. 参考文献 [11 MCCARTHY C T,GRAY P J.An analytical model for the prediction of load distribution in highly torqued multi—bolt composite joints[J1.Composite Structures,2011,93(2):287-298. 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