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1、第19卷第4期航空学报Vol.19No.41998年7月ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAJuly1998技术简讯复合材料多排钉机械连接有限元分析方法研究迟坚谢鸣九(飞机强度研究所,西安,710065)RESEARCHONMULTIPLE-BOLTEDCOMPOSITEJOINTBYFINITEELEMENTANALYSISChiJian,XieMingjiu(AircraftStrengthResearchInstitute,Xi′an,710065)由于安全、
2、可靠、传递载荷大和耐环境等突出优点,目前在飞行器的复合材料重要受力结构件之间,机械连接仍是主要采用的连接方式,且大多采用多排钉连接。确定每个钉排的[1]承载比例是计算多钉连接强度的基础,有两大类方法可供应用:实验研究和分析方法。实验研究方法耗资大,试件加工要求严格,难以对影响钉载分配和强度的众多因素进行系统的研究,而且试验结果带有一定的分散性。分析方法则耗资较小,并可考虑多种参数的影响,其中最常用的是有限元法。鉴于用有限元法较系统地计算复合材料机械连接尚未见报道,采用NASTRAN程序研究了元素类型
3、、网格密度及连接形式等参数对钉载分配的影响,并与典型的试验结果进行了比较。本文给出四排钉连接的部分计算结果和试验结果。1有限元模型简化机械连接形式一般可以分为单剪和双剪两大类,见图1和图2。坐标系如图所示,坐标原点设在图示试件的左端,并在B板中面上。单剪连接只有上、下两层,双剪连接有上、中、下3层。沿x方向设有J个结点,沿y方向设有I个结点。试件左端施加轴向均匀拉伸载荷,右端固支。图1单剪单列14钉连接图2双剪单列4钉连接被连接板用4结点等参薄膜-弯曲元——QUAD4元素模拟。该元素可以使用各向同性
4、、(总体)各向异性或正交异性等3种材料模式,其中第2种要求输入层压板的正则化拉伸刚度和弯曲刚度,第3种要求直接输入复合材料单层板的性质。金属板采用各向同性材料模式,1998204217收到,1998205218收到修改稿500航空学报第19卷复合材料板采用各向异性材料模式或正交异性材料模式。上述3种材料模式均有薄膜和弯曲两种元素:薄膜元只允许x,y方向有位移;弯曲板元只约束绕z轴的旋转自由度。连接螺栓可以用短梁元或弹簧元模拟。(1)短梁元BAR元系一棱柱形的一维直梁弯曲单元,其中性轴、重力轴及剪切中
5、心轴全部重合,可以承受剪力、弯矩和扭矩。对于单剪连接,每个螺栓只需用1个短梁元模拟;对于双剪连接,每个螺栓需用2个短梁元模拟。(2)采用标量弹簧元ELAS2模拟螺栓,不引用性质卡,所需刚度数据在单元卡中给出。弹簧刚度K按参考文献[1]第4章推荐的下列公式计算K=AGöL2式中:G为螺栓材料剪切模量;A为螺栓面积,A=PDö4;D为螺栓直径;L=(t1+t2)ö4,t1和t2分别是两个被连接板的厚度。对于单剪连接,每个螺栓需用2个弹簧元模拟,即要填写2张CELAS2卡;双剪连接则卡片数加倍。2钉载分配
6、计算结果及与试验结果的比较针对双剪连接形式研究了网格密度对钉载分配的影响,计算结果列于表1,所取计算参数为W=60.0mm,e=36.0mm,p=48.0mm,t1=5.0mm,t2=18.0mm,钉径D=12.0mm。A板为T300ö5222复合材料层压板,铺层比例(0°ö±45°ö90°=50ö40ö10),单层厚度0.125mm,E1=135.0GPa,E2=9.4GPa,G12=5.00GPa,M12=0.28;B板为30CrMnSiA钢板,E=196.0GPa,G=75.5GPa,M=0.
7、30。采用短梁元和薄膜元分别模拟钉与板。表1节点密度对单列4钉连接钉载分配的影响沿板宽节钉间节点钉载分配ö%序号点数I数JD第1排第2排第3排第4排13055.5020.5310.1913.7825045.4025.0914.5214.9935246.6821.7215.1916.4147040.2627.4917.2015.0557241.4723.8818.3216.3367441.3623.8518.3916.40711035.9529.5819.5214.95811436.9825.7921
8、.0916.13表2给出了元素类型和连接形式对钉载分配的影响。计算中取I=7,JD=2。除单剪连接时取t2=9mm,以及表中注明的计算参数外,其余均同表1。对于复合材料板,表2中的“膜元”和“弯曲板元”采用总体各向异性材料模式,“复材膜元”和“复材弯曲板元”采用正交异性[2]材料模式。此外,本文选择了可靠性较高的两项单、双剪连接试验结果,列于表2之2A与9A两行,用于与计算结果的对比。第4期迟坚等:复合材料多排钉机械连接有限元分析方法研究501表2元素类型和连接形式对
