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双剪单钉连接接头的强度分析

发布于:2016-03-05 19:56
强度分析

      复合材料结构机械连接接头的破坏模式主要有被连接件的挤压破坏、拉伸破坏、剪切破坏和劈裂破坏以及紧固件的剪切破坏等。其中拉伸和剪切破坏会导致结构的突然失效,而挤压破坏是一个逐渐损伤过程,不会导致结构整体承载能力的衰减。因此,挤压破坏常常被认为是复合材料结构中螺栓连接接头的主要破坏形式。
      另外,针对端部约束的复合材料连接接头三维问题,目前国外已经对此开展了很多有益的研究和探索。Grutta等采用ABAQUSApp对弯矩作用下的层合板螺栓连接接头进行了强度分析。Calllari等采用三维有限元模型,利用ABAQUSApp对层合板螺栓连接接头的损伤进行了预测。结果表明,接头的夹紧力以及垫片与层合板之间的摩擦力对损伤的产生及增长有很大的影响。在SAMCEF程序中引入三维有限元分析模型,对含中心孔的复合材料层合板的损伤破坏进行了分析。结果表明,有限元网格对损伤预测的影响较小,而基于连续损伤力学的三维有限元模型可以较好地预测横向基体开裂破坏模式的累积损伤。Lin等采用MARC有限元分析App,对单剪连接的层合板接头强度进行了分析,分析中考虑的多孔对接头的影响。Liu等则针对含孔的厚层合板结构的单钉连接接头进行了分析,给出了区别钉弯曲和挤压两种损伤情况的参数,即层合板的厚度与孔直径之比的平方。Gong等采用三维有限元分析技术,在TsaiWu准则基础上,对扭矩作用下的含缺口的层合板的初始损伤进行了预测分析。国内在有关三维问题方面的研究成果则较少。本研究针对T300/KH304复合材料层合板的单钉双剪连接形式,分析了接头的连接强度,并采用arnada-Sun准则预测了该层合板结构双剪连接接头的破坏载荷。
      T300/KH304复合材料层合板结构如图所示。e表示端距,d为板的孔径,w为板的宽度。从主铺层开始的辅助铺层中,每两层辅助铺层的长度减少5直至最外面的两层,即45。层为层合板的外表面。辅助铺层共12层,有6个阶梯。其中,孔的直径为6.3,盖板和螺栓的材料为30Cr1VInSiA钢。在双剪连接结构的数值分析中,采用有限元数值解技术分析结构的强度。在有限元分析中,采用整体建模方法,对复合材料板采用八节点三维层状结构体单元,对金属盖板和螺栓采用八节点三维实体单元划分网格。对单钉连接接头结构划分的最终网格如图所示,其中复合材料板共划分为2032个单元,3009个节点,金属盖板和螺栓分别分为1200个单元、1224个节点和2704个单元、2680个节点。选用Yarnada-Sun准则,几种尺寸的复合材料层合板在拉伸载荷作用下的破坏载荷计算结果如表所示。从表中可以看出,复合材料板宽度一定时,随着端距的增加,其承载能力逐渐增大,当复合材料板的端距一定时,其破坏载荷随着板宽度的增加而增大,即复合材料板的破坏载荷与板的宽度和端距,按照上述分析方法,对不同的宽度/孔径比和端距/孔径比双盖板结构进行有限元分析,计算结果如图所示。从图中可以看出,当复合材料板的端距一定时,破坏载荷随板宽的增加而增大。当w/d>5时,破坏载荷的变化较小,即在e/d为定值时,增加板的宽度,对复合材料板的承载能力影响不显著。当宽度一定时,破坏载荷亦随端距的增加而呈上升趋势。当w/d>3时,破坏载荷随端距的变化曲线增加幅度较小,说明当板的端距大于3倍的孔径时,基本上可以认为破坏载荷不再受复合材料板端距的影响。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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