预紧力对复合材料胶螺混合连接结构拉伸性能研究.pdf
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1、预紧力对复合材料胶螺混合连接结构拉伸性能研究:/预紧力对复合材料胶螺混合连接结构拉伸性能研究黎海银 郑国彦 王乐乐 齐佳旗 郑艳萍(郑州大学 机械与动力工程学院 郑州 郑州电力高等专科学校 郑州)摘要:本文在试验验证仿真模型可行性的基础上通过数值模拟方法分析了/钛合金螺栓连接和胶螺混合连接结构中单钉单搭模式下预紧力对接头承载能力的影响 结果表明:对于/钛合金螺栓连接结构预紧力的施加能够有效提升接头的失效载荷施加 拧紧力矩和施加 拧紧力矩比施加 拧紧力矩的接头失效载荷分别提高了 和 对于/钛合金胶螺混合连接结构预紧力对失效载荷的提升较螺栓连接有所减弱但胶层的刚度下降率()仿真结果表明预紧力可以有
2、效降低胶层剥离应力的扩散减缓胶层的失效关键词:胶螺混合连接接头 螺栓预紧力 单钉单搭结构 胶层失效 复合材料中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/(/)././(/)().:(/)收稿日期:基金项目:河南省高校重点科研项目()国家自然科学基金()作者简介:黎海银()男 硕士研究生 主要从事复合材料连接结构力学性能方面的研究通讯作者:郑艳萍()女 副教授 硕士生导师 主要从事复合材料结构强度方面的研究 碳纤维复合材料由于其高比强度、比模量等优异的力学性能在航空航天、车辆工程、医疗器械等行业应用越来越广泛 随着碳纤维复合材料的应用比例增加其与其他材料的界面问题也成了工程中的一大重点问题目前
3、工程中常用的连接方式主要有胶接、铆接、螺栓连接以及胶螺混合连接等 胶螺混合接头可以有效综合纯胶接和传统螺栓连接接头的优势既能为接头获得面外的紧固约束从而增强连接界面的抗剥离能力又能有效缓解由于开螺栓通孔而造成的孔边应力集中是目前复合材料连接结构方面研究的重点结构之一在已有的研究中国内外许多学者针对 胶螺混合连接的失效机理、接头强度等做了大量研究 等采用半解析法分析了复合材料混合接头的拉伸失效过程中的应力分布发现连接结构的承载方式随着胶黏剂脱黏长度的变化而变化当胶黏剂在一定的脱黏长度下螺栓不承担载荷当脱黏长度超过某特定值后螺栓便开始承担载荷等胶黏 年 月复合材料科学与工程剂完全失效后螺栓将承担所
4、有载荷 等发现在搭接板宽足够的条件下增加螺栓个数可以有效提升连接结构的承载能力而搭接区域宽度不够时增加螺栓个数反而导致连接强度下降因为搭接宽度过窄时增加螺栓所提升的强度收益不能抵消螺栓孔带来的应力集中现象张超禹等建立了/铝板胶螺混合渐进损伤模型分析了胶层厚度、搭接宽度、搭接长度、界面摩擦系数以及螺栓个数对混合接头拉伸性能的影响 熊勇坚等建立了复合材料和金属板接头不同的预测模型对比分析了胶接、铆接、胶铆三种接头拉伸强度以及这三种接头的拉伸失效形式并且探究了不同接头参数对接头承载强度和失效形式的影响 等通过试验研究了胶接长度、板厚度和搭接宽度对胶接接头拉伸性能的影响发现胶接接头的强度随着胶接接头的
5、搭接长度、搭接宽度和板厚度的增加而增加 等对比研究了传统螺栓和混合接头结合数值仿真和试验研究了两种接头的抗疲劳性能发现混合连接接头比纯螺栓连接接头具有更长的疲劳寿命针对复合材料搭接接头预紧力作用有部分学者做了相关研究 段元欣结合有限元仿真研究了螺栓干涉配合和预紧耦合作用情况下接头的拉伸力学性能发现干涉配合和预紧耦合作用下接头的刚度会得到提升从而增大了接头的失效强度等通过试验的方法研究了预紧载荷对 双搭接接头强度和疲劳设计的影响及失效形式的分析 等发现在纯螺栓连接结构中预紧力的收益与界面摩擦系数有关对于较低的界面摩擦系数值过大预紧力的影响可能是有害的而对于高值的界面摩擦系数在一定范围内增大施加在
6、螺栓紧固端的拧紧力矩可以有效提升接头的强度 等通过试验的方法研究了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板搭接接头的承载强度和破坏模式当宽径比和端径比增加时接头的承载强度有效增大且随着宽径比和端径比的变化接头的失效模式也会发生变化在低预紧载荷的情况下接头的强度随着预载力矩的增大而增大由于钛合金/复合材料搭接接头在预紧力载荷下的研究相对较少且对于胶螺混合连接接头在预紧力载荷下失效的探究更是鲜有报道而施加预紧力在工程方面是不可忽略的一个操作因此针对钛合金/复合材料单钉单搭接头本文探究了预紧力对胶螺混合连接接头拉伸强度以及胶层失效方面等性能的影响 损伤理论 材料损伤准则 失效准则包括纤维拉伸、基体拉伸、纤
7、维压缩、基体压缩这四种失效方式 各失效形式的等效应力为 为不同失效模式(、)下的失效模型指数 当失效模型指数为 时认为模型中该节点的材料已失效 对应的失效判定形式如下纤维拉伸():()纤维压缩():()基体拉伸():()()基体压缩():()()()式中:为正应力为切应力、分别为纵向拉伸强度和横向拉伸强度、分别为纵向压缩强度和横向压缩强度为纵向剪切强度和 分别为横向剪切强度 材料退化准则材料的损伤退化过程就是刚度系数的退化过程刚度系数由损伤变量控制位于 之间 损伤变量受等效位移控制失效形式的等效位移用失效模式起始准则中使用的有效应力分量进行表示各个失效形式的损伤变量有如下关系:()()()式中
8、:为在加载过程中理论达到刚出现损伤失效 年第 期预紧力对复合材料胶螺混合连接结构拉伸性能研究准则条件的等效位移为材料已完全失效时的等效位移()损伤演化单向不可逆损伤变量 为当前的最大值与式()的计算结果 的数值是未知的需代入上述公式计算得出 假定断裂能为 计算关系为:()式中:为达到起始损伤条件的等效应力等效位移和应力乘以函数 得到损伤起始等效位移和应力()()使用尺度函数来使单轴加载下损伤过程中消耗的能量与规定的断裂能 相对应 尺度函数中分别等于公式()、公式()、公式()的计算结果对应纤维拉伸损伤、纤维压缩损伤、基体拉伸损伤准则的数值结果 胶黏剂失效准则本文采用二次名义应力准则()当二次相
9、互作用函数的值达到 时胶层开始出现损伤 准则可表示为:()式中:、分别表示变形垂直于界面、第一剪切方向、第二剪切方向的名义应力峰值、分别表示变形垂直于界面、第一剪切方向、第二剪切方向的名义应变峰值 初始本构的厚度 公称应变分量等于相对位移的各分量 可行性验证 模型的建立本文建立的单钉胶螺混合连接预紧力几何模型如图 所示图 单钉单搭接螺栓连接接头 以单搭接为例上端为 板下端为 钛合金板 板与钛合金板的搭接区域有一层胶层在 板和钛板的相同位置开有直径同为 的螺栓通孔 连接螺栓强度为 级直径为 钛合金板自由端采用固定端约束碳纤维层合板自由端施加 方向的位移载荷见图 螺栓预紧力采用连接作用力的轴向载荷
10、来等效在第一个分析步里施加螺栓预紧力完成后保持在第二个分析步里施加复合材料自由端的轴向位移载荷图 接头有限元模型 本文使用的 钛合金板厚度为 密度为 /钛合金相关参数如下:弹性模量为 剪切强度为 泊松比 胶黏剂选用山东威海光威生产的型号为 的胶膜胶膜厚度为 其具体参数如下:弹性模量为 剪切模量为 抗拉强度为 剪切强度为 使用的层合板为山东威海光威复合材料有限公司提供的 层合板铺层为/材料对应力学参数如表 所示表 板力学参数 参数值参数值/././././././././年 月复合材料科学与工程 模型验证为了验证模型的准确性本文进行了三组不同的仿真对比试验分别为模拟手指拧紧、扭矩扳手施加 、扭矩
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