复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构拉伸性能.pdf

　８　　　　材料工程／２０１３年１２期　　　复合材料层板单钉沉头螺栓连接　　结构拉伸性能　　　　　ＴｅｎｓｉｌｅＰｒｏｐｅｒｔｙｏｆＳｉｎｇｌｅＣｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋ　　　　　ＢｏｌｔＣｏｍｐｏｓｉｔｅＬａｍｉｎａｔｅＪｏｉｎｔｓ　　　　黄文俊，孙永波。，程小全。，聂　宏　　　　　　　　　　（１南京航空航天大学航空宇航学院，南京２１００１６；　　　　　　　　　２中国民航大学工程技术培训中心，天津３００３００；　　　　　　　　　　　３北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１００１９１）　—　　—　　—　　ＨＵＡＮＧＷｅｎｊｕｎ，ＳＵＮＹｏｎｇｂｏ，ＣＨＥＮＧＸｉａｏｑｕａｎ。，ＮＩＥＨｏｎｇ　　　　　　　　（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ　　　　ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　　２ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ　　　　　　Ｃｈｉｎａ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３００，Ｃｈｉｎａ；３ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃＳｃｉｅｎｃｅ　　　　ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　摘要：通过ＡＢＡＱＵＳ软件建立三维累积损伤有限元模型，计算复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构的条件挤压载荷，　　　　　　　　　　并对其损伤机理与破坏过程进行分析；选用适合该类结构层板的损伤判据与衰减准则进行验证。计算获得的初始挤压　　　　　　　　　　　　　　　破坏载荷与实验结果吻合良好，说明所建模型的有效性。在此基础上，分析了接触面摩擦、螺栓刚度和连接金属板刚度　　　　　　　　　等因素对连接结构拉伸性能的影响。结果表明：接触面摩擦因数和螺栓刚度对结构拉伸性能的影响较为明显，金属板刚　　度的影响很小。　　　　　关键词：复合材料层板；单钉沉头螺栓连接；拉伸性能；损伤—　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１３．１２．００２　　中图分类号：Ｖ２１４．８　　　文献标识码：Ａ　———　文章编号：１００１４３８１（２０１３）１２０００８０５　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ３ＤｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈＡＢＡＱＵＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　ｏｆｆｓｅｔｂｅａｒｉｎｇｆａｉｌｕｒｅｌｏａｄｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｂｏｌｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｊｏｉｎｔｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ　　　　　　　　　　　　—　ｔｈｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｆａｉｌｕｒｅｃｏｕｒｓｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｌａｍｉｎａｔｅｄａｍａｇｅｃｒｉｔｅｒｉａａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｔｔｅｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｕａｔｉｏｎｒｕｌｅｓｆｏｒｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｇｏｏｄ　　　　　　　　　　　　　　　ａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｏｄｅ１．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｃｔ　　　　　　　　　　　　　　　ｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｂｏｌｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｍｅｔａｌｐｌａｔｅｏｎｔｈｅｊｏｉｎｔｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒａｎｄｂｏｌｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｈａｖｅａｇｒｅａｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｊｏｉｎｔｔｅｎｓｉｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｂｕｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｐｌａｔｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃａｎｂｅｉｇｎｏｒｅｄａｌｍｏｓｔ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅ；ｓｉｎｇｌｅｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｂｏｌｔｊｏｉｎｔ；ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｄａｍａｇｅ　　由于复合材料具有比强度高、比刚度大以及材料　　　　　　　　　　　　　　　可设计性强等优点，在航空航天以及其他工业领域中　　　　　　　　　　　　　　　　　　　得到了越来越广泛的应用。对于飞机结构的某些部　　　　　位，如蒙皮，凸头连接难以满足气动外形光滑度的要　　　求，需要改用沉头连接。目前，先进飞机表面大都是复　合材料层板结构，因此，复合材料层板沉头螺栓连接在　　　　　　飞机结构中的应用非常普遍。　国内外对于复合材料层板沉头螺栓连接拉伸性能　　及其损伤机理的研究工作较少＿】］。Ｍ．Ｃｈｉｓｈｔｉ等［２］通　过实验研究了复合材料层板单钉单搭沉头螺栓连接结　　　构的承载能力，分析了层板的损伤机理，同时还研究了　　　　　　　　　　　　　螺栓拧紧力矩、装配间隙和沉头半径对损伤扩展和接　　头强度的影响。Ｂ．Ｅｇａｎ等。。建立了单钉单搭复合材　　　　　　　　　　　　　　　　料层板沉头螺栓连接结构非线性有限元模型，分析了　　　　　　　　　　　　　　不同装配间隙下螺栓孑Ｌ附近层板的应力分布情况，得　　　　　　　　　　　　到了不同铺层形式层板连接结构的应力一应变曲线，发　　　　　　　　　现了沉头端附近铺层分担的载荷较大。　本工作是在复合材料层板沉头多钉连接钉载分配　１２　　　材料工程／２０１３年１２期　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｍｍ　　　　　　图９不同摩擦因数下单钉沉头连接结构的载荷位移曲线　　　—　　　　　　　Ｆｉｇ．９Ｉｏａｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋ　　　　　　ｂｏｌｔｊｏｉｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ　Ｅ３３　Ｅ４］　Ｅｓ］　［６］　Ｅ７］　　　　　　　　　　　　　　　　结构的载荷一位移曲线。可以看出，摩擦因数不同，载　荷一位移曲线的变化规律存在较大差别。随着摩擦因　　　　　　数的增加，层板初始损伤载荷变大，条件挤压载荷提　［８］　　　　　　　　　　　　高；结构拉伸刚度增大明显。因此，适当提高连接接触　　　面的摩擦因数，可以提高接头的拉伸性能。　　　　６结论　（１）复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构累积损　　　伤模型计算结果与实验结果相符，模型与分析方法是　　　有效的。　　　　　　　　　　　　　　　（２）沉头连接结构设计中，应尽可能缩小沉头比，　　　　　　　　　　　　增加螺杆与钉孔的接触面积，以提高其承载能力。　　　（３）钉头与螺杆界面处的应力集中首先使层板发　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生分层损伤，然后发生基体破坏。在这个区域增加　　　　　　　层板铺层间的界面剪切强度，可以改善接头的拉伸　　　性能。　　　　　　　　　　　　（４）螺栓与钉孔接触面之间的摩擦力参与了载荷　　　的传递，使得连接结构的刚度与条件挤压强度明显增　　　　　　　　　　　　　　　　　加，承载能力提高。摩擦因数增大，条件挤压强度增　　　　　　　加。螺栓刚度对条件挤压强度有一定影响，螺栓刚　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　度越大，结构刚度与条件挤压强度越大。连接金属　　　　　　　　　　　　　　　板刚度对于接头的刚度与条件挤压强度影响很小。　［１］　［２］　参考文献　　　　　孙永波，程小全，张纪奎．复合材料层板沉头螺栓连接研究进展　—　＿Ｊ］．航空制造技术，２０１２，（１８）：７５７８．　　　　　　　　—　ＳＵＮＹＢ，ＣＨＥＮＧＸＱ，ＺＨＡＮＧＪＫ．Ｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｂｏｌｔｃｏｒｎ　　　　　ｐｏｓｉｔｅｊｏｉｎｔｓｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ［Ｊ］．ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ—　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，（１８）：７５７８．　　　　　　　　　　　　ＣＨＩＳＨＴＩＭ，ＷＡＮＧＣＨ，ＴＨＯＭＳＯＲＳ，ｅｔａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　　　　　　　　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｄａｍａｇｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋ　［９］　［ｉｏ］　［１１］　［ｉ２］　［１３］　［１４］　［Ｉ５３　［１６］　　—　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｏｉｎｔｓＥＪ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１２，９４（３）：８６５　８７３．　　　　　　　　　　　　ＥＧＡＮＢ。ＭＣＣＡＲＴＨＹＣＴ，ＭＣＣＡＲＴＨＹＭＡ，ｅｔａ１．Ｓｔｒｅｓｓ　　——　　　ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｉｎｇｌｅｂｏｌｔ，ｓｉｎｇｌｅｌａｐ，ｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｃｏｍｐｏｓｉｔｅｊｏｉｎｔｓ　　—　　　　　ｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅｂｏｌｔｈｏｌｅｃｌｅａｒａｎｃｅ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２Ｏ１２，—　　９４（３）：１０３８１０５１．　　　孙永波．复合材料层合板沉头螺栓连接研究［Ｄ］．北京：北京航空　　航天大学，２０ｌ２．　　—　　　　ＳＴＡＲＩＫＯＶＲ，ＳＣＨＯＮＪ．Ｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　　—　ｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｎｄｍｅｔａｌｆａｓｔｅｎｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｏｒｎ　　—　　ｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＢ，２００１，３２（５）：４０１４１１．　　　　　　　　　　　　ＣＨＩＳＨＴＩＭ。ＷＡＮＧＣＨ，ＴＨ０ＭＳＯＮＲＳ，ｅｔａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　　　　　　　　—　ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄａｍａｇｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｃｏｍ　　—　ｐｏｓｉｔｅｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１２，９４（２）：６４３６５３．　　　　　　　　　ＢＥＮＣＨＥＫＣＨＯＵＢ．ＷＨＩＴＥＲＧ．Ｓｔｒｅｓｓｅｓａｒｏｕｎｄｆａｓｔｅｎｅｒｓｉｎ　　　　　　　　　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｆｌｅｘｕｒｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｓｏｎｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｉｎｉｔｉ　　　　　　　ａｔｉｏｎｐａｒｔ２１ｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｂｏｌｔｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９５，—　　３３（２）：１Ｏ９１１９．　　　　　　　　　ＩＲＥＭＡＮＴ．Ｔｈｒｅｅ～ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｏｌｔｅｄｓｉｎｇｌｅ　　　　ｌａｐｃｏｍｐｏｓｉｔｅｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９８，４３（３）：１９５—　２１６．　　李钟海．平面编织复合材料胶螺混合连接性能研究［Ｄ］．北京：北　京航空航天大学，２０１２．　　　　　　　　　　　ＨＵＨＮＥＣ，ＺＥＲＢＳＴＡＫ，ＫＵＨＬＭＡＮＮＧ，ｅｔａ１．Ｐｒｏｇｒｅｓ　　　　　　　　　　ｓｉｖｅｄａｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｌｉｑｕｉｄｓｈｉｍ　　　　　　　ｌａｙｅｒｓｕｓｉｎｇｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．　—　　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，９２（２）：１８９２００．　　　　　　　　　　　ＫＩＭＨ．ＫＥＤＷＡＲＤＫＴ．Ｊｏｉｎｉｎｇａｎｄｒｅｐａｉｒｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　—　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｃ］．ＫａｎｓａｓＣｉｔｙ，ＭＯ，ＵＳＡ：ＡＳＴＭＳｐｅｃｉａｌＴｅｅｈｎｉ　　ｃａｌＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，２００３．　—　　　　　—　ＡＳＴＭＤ５９６Ｉ／Ｄ５９６ＩＭ１０，ｓｔａｎｄａｒｄｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｂｅａｒｉｎｇｒｅ　　　　　　ｓｐｏｎｓｅｏｆｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ［Ｓ］．　　张爽．复合材料机械连接结构损伤破坏仿真设计方法研究［Ｄ］．　　　　北京：北京航空航天大学，２０１０．　　　　　　　　ＳＴＡＲＩＫＯＶＲ，ＳＣＨＯＮＪ．Ｆａｔｉｇｕｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　　—　ｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｎｄｍｅｔａｌｆａｓｔｅｎｅｒｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒ　　　—　　ｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ。２００２，２４（１）：３９４７．　　　　　　　　—　ＤＡＲＷＩＳＨＦ，ＧＨＡＲＡＩＢＥＨＭ，ＴＡＳＨＴＯＵＳＨＧ．Ａｍｏｄｉ　　　　　　　　　ｌｉｅｄｅｑｕａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃ。ｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｉｎｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋ　　　—　ｈｏｌｅｓ［Ｊ］．ＥｕｒｏｐｅａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓＡ／Ｓｏｌｉｄｓ，２０１２，３６：９４—　１Ｏ３．　　　　　　　　　　ＭＣＣＡＲＴＨＹＣＴ，ＧＲＡＹＰＪ．Ａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｐｒｅ　　　　　　　—　　ｄｉｃｔｉｏｎｏｆｌｏａｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈｌｙｔｏｒｑｕｅｄｍｕｌｔｉｂｏｌｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　—　ｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１１，９３（２）：２８７２９８．　　　　　—　收稿日期：２０１３－０２２１；修订日期：２０１３－０９１１　　　　　作者简介：黄文俊（１９７２一），男，博士生，主要研究方向为直升机旋翼系　统设计与分析技术，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｒｄｉｈｗｊ＠１６３．ｃｏｍ　　　　　　通讯作者：程小全（１９６６），教授，博导，主要从事复合材料结构损伤容　　　　　　限分析与设计技术研究工作，联系地址：北京航空航天大学飞机设计研　——　究所（１００１９１），Ｅｍａｉｌ：ｘｉａｏｑｕａｎｃｈｅｎｇ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ　　丕＼ｑ日０