复合材料机身壁板的纵向连接设计与失效分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicahttp：Ehkxbbuaaedu．Ci3hkxb@buaaeduC13Aug．252012Vol33No81427—1433ISSN1000—6893CN11—1929／V文章编号：1000—6893(2012)081427—07复合材料机身壁板的纵向连接设计与失效分桁钱一彬1，钟小丹1，陈普会h+，刘利阳2，王进21。南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京2t00162．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035摘要：按照连接设计准则及机身压差载荷水平，开展了复合材料机身壁板的纵向连接设计研究

2、。为提高壁板多钉连接结构分析精度及设计效率，发展了一种基于Fastener单元的钉群载荷计算方法，在此基础上结合单钉失效分析模型，提出了一种壁板多钉连接区的失效评估方法。首先，通过与试验数据对比，验证了采用Fastener单元求解钉群载荷的可行性；然后运用Fastener单元分析壁板连接结构的钉载分配；最后基于钉载分析结果，对局部危险区域采用单钉模型进行失效载荷计算并进而评估壁板连接区的失效载荷。本方法特别适用于快速、有效地校核多钉连接区的连接强度。关键词：复合材料i机身i壁板纵向连接；多钉连接；失效分析中图分类号：V214．8文献标识码：A先进复合材料在机身结构中的运用

3、能够显著减轻机体结构重量，减少全寿命周期费用。波音公司自20世纪80年代以来，通过美国NASAACT计划资助的ATCAS项目Ll。2]，提出了由顶部壁板、侧壁板及底部壁板地板／龙骨梁结构组成的复合材料机身壁板结构形式。其中顶部壁板／侧壁板、侧壁板／底部壁板之间通过纵向连接设计传递压差载荷所产生的环向张力。壁板纵向连接结构属关键连接区域，传递载荷较大，为保证连接性能一般采用螺栓机械连接，并通过“积木式”试验验证其连接性能。为降低试验成本，近几十年来，研究人员在复合材料机械连接的模拟方面进行了大量的研究[3。7]，提出了一些基于接触有限元模型的分析方法，极大地提高了复合材料机

4、械连接接头的设计效率。但是大部分工作都局限于单钉或小规模的多钉连接的失效分析，对于螺栓数量庞大的壁板连接结构，接触有限元方法受计算能力限制，很难直接运用于工程实际。工程上常采用钉载配合材料载荷一位移曲线进行金属结构大规模多钉连接强度分析∞1。然而复合材料由于其各向异性，测量不同铺层形式、不同受力方向下的材料刚度常数需要大量试验，如何快速、有效地进行复合材料壁板多钉连接分析是提高壁板连接设计效率的关键问题。本文首先通过有限元分析与试验结果对比．验证了一种基于Fastener单元[91的钉群载荷计算方法，然后以机身壁板纵向连接结构的设计与分析为例，采用Fastener单元进行

5、钉载分配计算，进一步结合单钉失效分析模型，提出了一种高效的壁板多钉连接区失效评估方法。收稿日期：2011—10．13；退修日期：2011—11—14；录用日期：2011—12—30；网络出版时间：2012—02—0109：41网络出版地址：WWWcnRi．t389kcms／detail／11，7929．V．2012020t．0941．004．h#nl基金项目：国家自然科学基金(10872091)*通讯作者．Tel：025—84896256E-mail：phchen@nuaaedu．CD引用椿武：QianYB，ZhongxD，OhenPH，eta1．Longitudinal

6、panelsplicedesignandfailureanalys唐ofcompositefuselagestructuresAc—taAeronauticaetAstronauticaSinica．2012，33(8)：1427-1433钱一彬，钟小丹．眯普会．等复合材料机身壁板的缴向连接设计与失致分析舫空学按，幼12，33(8)j1427-1433航空学报1钉群载荷计算方法验证1．1Fastener单元商用有限元软件ABAQUS提供的Fastener单元采川“独立网格”(Mesh—independent)技术¨j，叮以通过空间内任意一点沿任意方向向连接件投影创建Fas

7、tener单元节点，并凡Fastener单元节点独立于有限元模型网格节点，无须与网格节点一-x寸应。Fastener单元节点位移由定义的影响半径(RadiusofInfluence)L#J内有限元模型网格节点位移插值得到。通过对两节点问的连接单元赋予梁元或弹簧元等属性即可进行螺栓连接的模拟。选用Fastener单元可以对大规模、分布规则的钉群进行快速建模，而常规钉元两端点必须与有限元网格节点重合，在模拟时增加了工作量。Fastener单元还能用于多层结构的连接，如图1所示，通过多个Fastener单元连接分布于连接件上的Fas