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1、2009年7月机械科学与技术July2009第28卷第7期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringVol.28No.7复合材料层合板预紧螺栓连接应力分析张永杰,孙秦(西北工业大学航空学院,西安710072)张永杰摘要:针对复合材料层合板预紧螺栓连接结构,建立了全尺寸三维有限元模型,应用非线性接触算法模拟螺栓连接。采用降温法模拟螺栓预紧力,给出了预紧力与等效温度载荷的计算公式。通过分析不同预紧力下的层合板孔边应力分布,得到了预紧力与孔边拉应力以及预紧力与孔边层间应力的关系曲线。关键词:复合材料层合板;接触算法;降温法;预紧螺栓中图
2、分类号:TB330文献标识码:A文章编号:100328728(2009)0720867204StressAnalysisofCompositeLaminateConnectedbyPreloadedBoltZhangYongjie,SunQin(SchoolofAeronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an,710072)Abstract:Forcompositelaminateconnectedbypreloadedbolt,a3Dfull2sizesimulatingmodelisbuilt.Nonlinearcontactari
3、thmeticisappliedtofiniteelementmodel.Coolmethodisemployedforsimulatingthebolt′spreload.Calculatingformulabetweenpreloadandequivalenttemperatureisintroduced.Atvaryingbolt′spreload,wesolvethehole2edgestressofcompositelaminate,andobtaintherelativefiguresbetweenhole2edgetensionstress,hole2edgeinterlamin
4、arshearstressandpreload.Usefulconclusionsaredrawnbyanalysis.Thecontactfiniteelementmodelwithcoolmethodisreliableandapplicabletosimulatecompositelaminateconnectedbypreloadedbolt.Keywords:compositelaminate;contactalgorithm;coolmethod;preloadedbolt复合材料以其优良的力学性能,在航空航天、汽会有较大的误差,目前较为有效的途径是采用有限车、造船等许多领域得到了
5、广泛的应用。复合材料元方法进行数值计算和分析。结构的连接方式主要有胶接、机械连接和混合连接在总结以往螺栓连接模拟方法的前提下,笔者[1]3种。笔者研究的是机械连接中的受剪螺栓连研究了预紧力的施加方法和有限元非线性接触算接[2][3],受剪螺栓的外载荷主要依靠螺栓杆受剪切及螺法,应用ANSYS软件对复合材料层合板钛合栓杆与被连接件的挤压来承受,连接件间只要较小金受剪螺栓连接结构建立了全尺寸三维有限元接触的预紧力。但是在某些特殊结构的设计中,为了满模型,并利用降温法模拟螺栓预紧力,得到了预紧力足连接件的疲劳寿命要求和系统的密封性要求,采对层合板孔边拉应力和层间应力[6]的影响关系,为用受剪螺栓连接
6、时需要施加较大的预紧力。由预紧复合材料层合板的螺栓连接计算提供了方法和参考力引起的连接件间摩擦力,能够分担螺栓传递的载依据。荷,但也使结构的受力更加复杂,利用解析方法分析1有限元模型建立收稿日期:2008-07-23111模型介绍基金项目:国家自然科学基金项目(10477018)和西北工业大学科技模型由两块复合材料层合板和一个钛合金受剪创新基金项目(W016143)资助作者简介:张永杰(1979-),博士,研究方向为飞行器结构设计与有螺栓组成,模拟复合材料层合板单钉搭接的受载情限元数值计算方法,zyj19191@nwpu.edu.cn;孙秦(联况。层合板共20层,对称铺设,每层厚度012mm;
7、系人),教授,博士生导师,sunqin@nwpu.edu.cn螺栓为标准钛合金螺栓,几何模型尺寸如图1(a)和868机械科学与技术第28卷-6图1(b)所示。为了更加准确的模拟螺栓连接的受胀系数α=911×10℃;力情况,采用三维接触模型进行计算分析,将被连接复合材料材料常数:EX=130GPa,EY=EZ=件之间、连接件与螺栓杆之间、螺母螺帽与被连接件1015GPa,之间均设为面面接触对。对刚性
