复合材料层合板沉头螺栓连接研究进展.pdf

一 c 。M P 。s 吒sB o 恻N G 复材连接一1_ 复合材料层合板沉头螺栓 连接研究进展术 R e s e a r c ho nD e v e l o p m e n to fC o m p o s i t e sL a m i n a t eC o u n t e r s u n kB o l tJ o i n t 北京航空航天大学航空科学与工程学院孙永波程小全张纪奎 孙永渡 北京航空航天大学飞行器设计专 业硕士研究生，研究方向为复合材料连 接结构分析与设计技术。 复合材料由于其具有比强度高、 比刚度大以及口设计性强等优点，在 航空航天以及其他T 业领域中得到 了越来越广泛的应用。作为现代飞 行器结构主要材料之一，无论是对于 民用还是军用飞行器来说复合材料 + 北航凡向基金青年基金( 2 0 0 9 0 5 0 6 ) 项目 资助。 随着复合材料在航空航天等领域的广泛应用，复合 材料沉头螺栓连接研究受到了工程界的关注但是在实 际工程中仅通过数值方法或试验方法难以给出有效的结 果。而通过将数值模拟技术与试验方法相结合。可以有 效地分析出沉头螺栓连接各因素对载荷分布和力学性能 的影响。这对于实际工程中提高复合材料沉头螺栓连接 的结构效率有着非常重要的意义。 在飞行器结构上的用量已成为衡量 飞行器结构先进性的一个重要指标。 国际上最新研制的大刑客机复合材 料J j 量已经突破r5 0 c A ，如波音7 8 7 的复合材料用量在5 0 以r ，空客 A 3 5 0 X W B 的复合材料J H 鼍预计为 5 2 机械连接具有安全、可靠、传递 载荷大等突出优点，在飞行器复合材 料主要受力结构中有很大的应用。 | 1 于先进复合材料自身的脆性与力 学性能各向异性等特点，使传统的凸 头多钉连接从开始加载到极限载荷 的整个过程中，各钉的载荷一直存在 分配不均的情形。相对承载较大的 钉孔或螺栓首先发生破坏，连接层合 板的力学性能无法充分发挥m 米，因 此大大降低了结构的连接效率。其 次，对丁飞机结构的某些部位如蒙 皮等，传统的凸头连接难以满足气动 外形光滑度的要求。而复合材料结 构沉头螺栓连接不仅可以保持飞行 器结构表面的气动外形，而且南于钉 头的压紧作用可以改善多钉载荷分 配的不均匀性+ 消除边缘螺钉( 或螺 栓) 载荷过大的现象，提高连接的承 载能力“。 大1 此，研究和掌握复合材 料结构沉头螺栓连接的承载方式、载 荷分配特点及其影响因素，对于提高 连接结构的承载能力降低结构成本 与重量，充分发挥复合材料的优势具 有重要的工程意义。 2 0 1 2 年第1 8 期航摩制造技术7 5 万方数据 复材连接。o 。，o 。旺。o 。 试验研究 航空飞行器结构的破坏大都发 生在开口及连接部位，因此结构连接 没计通常是飞行器结构设计的重点 与难点所在。单搭连接是飞行器结 构连接最常用的机械连接形式：单 搭连接结构在面内载荷作用下由于 载荷作用在不同平面上，因而导致该 接头产生附加弯矩和面外变形，即次 弯曲。图1 为附加弯矩引起试验件 产生次弯曲示意网，次弯曲是单搭 连接结构的固有属性它会改变接头 局部应力、应变场影响连接结构的 强度，凶此，单搭连接比双搭连接结 构的力学性为更复杂，也更具有工程 实际意义= 研究复合材料沉头螺栓连接主 要有3 种方法：解析法、试验法和数 值模拟法、其巾解析法应用较少，多 用于计算分析应力集中区应力峰值 或铺层承载特点，通常只能解决简单 连接问题“。由于该方法T 程实用 价值不大，故在此不予讨论。 试验研究通常是对复合材料层 合板沉头螺栓连接结构等速加载，观 察其损伤、变形情况，并记录载荷一 位移( 应变) 曲线以及破坏强度。 对于多钉沉头螺栓连接试验还 需要测量试验件某些部位的应变，以 确定钉载分配。这项试验的难点在 于沿试验件厚度方向上的应变分布 通常是不均匀的，而现有的技术手段 通常只能测量出试验件表层的应变 图1某沉头螺栓连接试验件附加弯矩引起次弯曲示意图 分布，阔此很难计算出 每个螺栓所承受和传递 的载荷，除此之外，试 验研究成本高、耗时长、 对实验件的加t 要求严 格难以对影响钥载分 配的众多因素进行系统 分析。因此，多数研究 者都是把试验测量的结 果用于验证或修正数值 模型，然后通过数值模 拟分析研究复合材料层 合板沉头螺栓连接的影 响I 硝素、破坏机理以及 钉载分布， LL = ： f 。 图2 某复合材料层合板沉头螺栓连接三维有限元模型示图 7 6 航空制造技术2 0 1 2 年第1 8 期 数值模拟研究 复合材料层合板沉头螺栓连接 结构数值模拟研究通常首先通过对 比试验与数值模拟所得到的连接结 构的载荷一位移曲线以及层合板表 层应变分布等结果验证数值模型的 有效性、然后，根据数值模拟的结果， 研究连接结构应力、应变分布以及被 连接层合板孔边的损伤情况，并且能 够直观地给出危险部位，得到试验中 兀法测量的数据或力学性能特征 进一步还可以分析复合材料沉叉螺 栓连接结构的影响素，提m 高效连 接结构的设计方法。 图2 为某复合材料层合板沉头 螺栓连接单搭接有限元建模示图。 单元类型的选择和位移边界条件的 定义，对于复合材料沉头螺栓连接结 构有限元分析结果有着重要的影响。 在选择单元类型时，必须要考虑计算 量的大小和计算时间的长短”。连续 壳单元能够准确反映连接件的几何 K 寸，因此非常适用于复合材料层合 板连接结构有限元分析。另外，与i 维实体单元相比，使用壳单元的有限 几模型计算效率高，并能反映铺层面 内损伤情况”。试验中连接结构分 层的位置主要发生在沉头7 L 起始处 所以这一位置的铺层要采用粘性层 ( C o h e s i v eE l e m e n tL a y e r ) 。对于螺栓 币螺母一般按刚性处理因为一般情 况下螺栓和螺母不会发生破坏”I 。 由于住接触模型中使用二次 无素( Q u a d r a t i cE l e m e n t s ) 的不准 确+ r I ：，所以要选用线性元素( L i n e a r E l e m e n t s ) 。但是，在弯曲情况下 边缘上的线性元素不能反映材料的 物理特性，并且会由于“剪切自锁 ( S h e a rL o c k i n g ) ”造成虚假的剪廊 力。剪切自锁还会使所建立的模型 刚度过大。通过A b a q u s 创建的模 刊，模型本身的不协调性会增加自 由端的角度，进而改善全积分线性单 元( F u l l y i n l e g r a t e dL i n e a rE l e m e n l s ) 万方数据 e 。丛。Q ；。；。Q 。! 。j l i ：! ：! i 丝 的弯曲性能缩减积分线性单元 ( L i n e a rE l e m P n I s i l hR e d I I I 、e d I n t e g r a t i o n ) ，如C 3 D g R 还可以娟于 处理高强度问题但是单元没变形时 会导致连接模型的网格畸变”J 。所 以C 3 D 8 1 单元可以用在全部f ) ( 域。 而在高应力产生I X 使用协调模式下 的全积分线性单元C 3 D 8 I 在别处则 使用少量C 3 D S R 单元”1 。 边界条件如阁2 所示一端同 支，另一端沿x 轴方向受拉。连接对 称性不能用来减小模型尺寸，偏轴铺 层的存在会导致孔边接触压力不对 称分布。闻此小能采用对称疗法减 小模型几寸和计算时问 在材料属性选择当中层合板使 用均质化准各向同性材料，但对于沿 厚度方向是变强度的层合板不能使 用均质化准各向同性材料属性因为 需要解决接触问题和给出单搭接沉 头螺栓连接的力学特征。每个铺层 使用正交各向异性材料和实体单元。 均质化层合板性能通过使用有限无 分析和层合板理论获取。 接触条件是通过一对相互作H j 接触面来定义的。定义的从表面不 能侵入 U 对应的主表面。使用面刘 面离散化方法通常可以防止面侵入， 并且比使用节点到面离散化方法得 到更准确的结果。一般来讲，把强度 较高的零件表面定义为主表面，并且 使用较大的网格。主表面与从表面 的设定如图3 所示”l 。而模型运算 中会遇到接触抖动。这种状况的出 现是由于从表面卜的节点在开与合 图3 沉头螺栓连接模型主从面 的定义示意图 之间不断的改变 t 导致棚瓦作用严。1 重中断引起不收 。 敛。解决这一问 ! 题首先要考虑自，i 动侵入容限，然后 善“” 通过使_ f ； 】非对称 。“ 方式和稳定节点 I ” 改善计算收敛性： 而被选为稳定的 节点粘性阻尼引 起的能量损失可 以忽略不计”J 。 。# 图4 不同螺栓沉头比下的载荷位移曲线 沉头连接的影响因素 总结试验和数值研究的结果可 以发现，影响沉头连接载荷分布的主 要因素有钉 L 问隙C L 、螺栓沉头比 H T 、连接结构的尺寸和刚度、复合材 料层合板的铺层、螺栓弯矩B T 和上 下板间摩擦力等。 ( 】) 钉孔间隙C L 。 装配误差和加T 精度等因素的 影响会导致钉孔间隙的出现而钉 孔间隙的存在会使螺栓承载时间滞 后，导致最终承受载倚变小。间隙增 加会导致承压应力急荆减少，明最降 低极限应力，引起上下板间接触面即 剪切面附近的损伤，并且损伤区会从 边缘损伤区变为角度损失区，这种损 伤继续扩展即会引起分层。间隙的 存在还会使试验件受载时在剪切面 产生很高的应力区，而且还会在相应 应力域沿厚度方向产m 裂纹。但 是随着间隙的增加远离孔边的损伤 裂纹的长度会减少 间隙的存在会使得中心截面的 应力显著增大但是进一步增加间隙 并不能使径向应力持续增加。而沉 头孔边起始区应力却会降低，使得剪 切面应力进一步增大。这是剪切面 损伤加剧的原因，同时也是模型有无 间隙时力学特征最大的K 别”】。 ( 2 ) 螺栓沉头比r 。 螺栓沉头比H r 即是沉头高度 与层合板厚度r 的比值。罔4 是 不同螺栓沉头比下的载荷位移曲线 示意罔，从陛I 中可以看出当7 1 从 0 5 6 增加到0 6 4 时，对承压应力和 破坏应力影响郜很小，但是增大到 0 7 6 时会使承压应力显著降低，弯曲 位移明显增加。原因在于产生偏心 距的直边区域承载了主要的载荷”1 。 增加沉头比会加剧剪切面附近沿厚 度方向的损伤，并且上层板直边缘出 现角度损伤但是不会产生分层。同 时还可以看出增加沉头比会减缓岗 纤维托仲破坏而引起的孔边蓟切损 伤的提前发生和加剧。增加螺拴沉 失比使得沉头区径向应力成倍的增 加也使得剪切引起的裂纹加密但 是并不意味沉头比对弯曲应力和极 限应力具有敏感性”1 。 ( 3 ) 螺栓弯矩口L 在实际结构装配中，会对螺栓施 加颅紧力，而预紧力会转变成螺栓弯 矩。提高预紧力会引起剪切应力的 显著增加但是对极限应力影响很 小同时会减少上层板损伤区的长 度，增加下层板的损伤，对于孔边附 近的损伤影响不明罹1 6 7 1 图5 足不 同螺栓弯矩下的载荷位移曲线从 罔中日r 以看m 增加螺栓弯矩可以增 加载荷位移曲线线性段的长度8 I 、 ( 4 ) 连接什尺寸与刚度。 连接件尺寸与刚度主要影响的 是边界条件，如果下层板是金属材料 并且厚度较大，那么螺栓近似处r 同 2 0 1 2 F 苹1 8 期航审制造技术7 7 万方数据 ”。# Ir 圈5 不同螺栓弯矩下的载荷位移曲线 支状体，破坏形式为拉剪；如果下层 板厚度较小，那么由于受载时会引起 次弯矩，所以破坏形式为剪弯。 ( 5 ) 复合材料层合板铺层方向： 巾于存有间隙只有与螺栓发 生接触的铺层才能传递载荷。其中 4 5 。铺层用来传递径向载荷，0 。铺 层随着轴向载荷线性增加，并且会产 生最大应力峰值，对于传递轴向载荷 十分有效”l 一其中对于对称层合板 最大应力主要发生在第一个和最后 一个4 5 。铺层l 。 ( 6 ) 其他因素， 摩擦力的存在使部分载荷可以 通过连接板之问的摩擦力来传递，这 样就减少了螺栓所传递的载荷，有助 f 提高结构的连接强