螺栓连接剪切本构模型及其在多钉连接结构中的应用

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：螺栓连接剪切本构模型及其在多钉连接结构中的应用作者：寇剑锋学科专业：固体力学指导教师：徐绯教授2017年11月Title:ShearConstitutiveModelforBolted-jointandItsApplicationtoMulti-boltJointsByKouJian-fengUndertheSupervisionofProfessorXuFeiADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUni

2、versityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofSolidMechanicsXi’anP.R.ChinaNovember2017摘要摘要螺栓连接是工程中常用的机械连接形式之一。在螺栓连接中，连接部位不可避免地会出现应力集中，使连接部位成为整个结构的薄弱部位，同时在工程中，主要传力路径上的部件通常是多钉连接。因此，连接部位的钉载分配及应力分析对结构安全设计至关重要。钉载分配可采用理论方法和数值方法等计算，理论方法因其计算效率高，

3、在初始设计中被广泛使用，但以往的理论方法中，螺栓连接本构模型的参数由经验公式确定，缺乏可靠的理论解。本文根据连接结构的变形机制，提出了计及装配间隙和螺栓预紧力的剪切本构模型，推导了本构模型中各参数的理论解，在此基础上给出多钉连接结构中的钉载分配算法，并推导了孔边挤压应力预测方法。本文主要完成了如下工作：1）对单搭接螺栓连接结构提出了四阶段剪切本构模型并推导了各参数的理论解。首先，针对计及装配间隙和预紧力的单搭接螺栓连接结构的剪切变形进行了试验研究，获得的载荷-位移曲线表现出斜率差异较大的四个阶段；通过三维细

4、节有限元模型分析表明，载荷-位移曲线的斜率变化是由连接结构中界面的接触状态在加载过程中的变化导致的。据此，本文针对单搭接连接结构的剪切行为提出了四阶段剪切本构模型。四阶段模型将目前常用的三线性模型中描述模糊的过渡阶段细化为物理意义明确的两个阶段，即部件滑移阶段和完全滑移阶段。针对四阶段模型中的每个阶段，文中分别根据螺栓及螺孔附近的受力状态，建立相应的力学模型，推导各阶段的载荷-位移曲线及刚度的理论解。对第一阶段，在先前研究者给出连接刚度算法的基础上，考虑粘接区域与被连接件厚度和外载的关系，并且计及螺母与被连

5、接件之间界面传力的贡献，改进了连接刚度的计算方法，使之比先前的刚度有更广泛的适用性。对第二阶段，通过端部弹性约束的剪切梁模型推导了连接刚度的理论解，这个阶段在常用的三线性模型中没有被考虑。对第四阶段，在通过应变能法获得钉头约束系数和通过近似内圆接触模型获得弹性基刚度的基础上，建立了弹性基剪切梁模型，推导了连接刚度的理论解，与三线性模型等采用的经验公式相比，推导得到的刚度与外载相关并能够计及装配间隙的影响。通过三维细节有限元验证表明，本文给出的四阶段剪切本构模型能够精确地描述计及预紧力和装配间隙的单搭接螺栓连

6、接结构的剪切行为。2）对单搭接螺栓连接结构采用四阶段剪切本构模型进行参数分析并验证了四阶段剪切本构模型的适用性。分别用文中给出的四阶段剪切本构模型的理论方法和三维细节有限元方法研究了装配间隙从10μm到300μm、厚/径比（夹持厚度/螺栓直径,lB/dB）从0.5到5.0、预紧力从0.0kN到11.4kN范围内的航空常用结构材料（钢、钛合金、铝合金以及复合材料）的连接结构的剪切行为。与三维细节有限元的分析结果比较表明，四阶段剪切本构模型有较为广泛的适用性。各参数分析表明，装配间隙主要影响第四阶段的力学行为，

7、装配间隙越大，该阶段刚度越小，载荷-位移曲线非线性也越明显。厚/径I西北工业大学博士学位论文比对第二阶段的刚度影响明显，厚/径比越大，第二阶段的刚度越小，而厚/径比对第四阶段刚度的影响比较复杂，当lB/dB<1时刚度随着厚/径比增加而增加，当lB/dB>1时刚度随厚/径比增加有小幅度的下降。预紧力主要影响第一阶段的刚度，外载接近于零时，各种预紧力水平下的连接刚度差异不大，随着外载增加，预紧力越大，刚度随外载降低越慢，连接刚度越大。材料的模量与本构模型中各阶段的刚度正相关，材料的模量越小第四阶段的载荷-位移曲

8、线的非线性越严重。综合分析发现，在有些情况下载荷-位移曲线不会表现出模型中完整的四个阶段，某些阶段会缺失，文中系统地给出了缺失不同阶段的条件。3）对单搭接连接结构，通过典型欧拉梁理论分析偏心距导致的次弯对连接刚度的影响。次弯是由于单搭接结构中被连接件的中性线在连接处不处于同一直线导致的偏心矩引起的弯曲变形，它不仅会降低连接刚度，还会导致连接结构的受力状态从纯剪变为拉-剪耦合。在拉-剪耦合情况下，连接刚度通常与剪切