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1、第26卷第2期应用力学学报Vol.26No.22009年6月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSJun.2009文章编号:100024939(2009)02203892043层合板预紧螺栓搭接孔边应力分析张永杰孙秦(西北工业大学710072西安)摘要:针对复合材料层合板预紧螺栓单板搭接和双板搭接结构,分别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Prets179预紧力单元施加螺栓预紧力。通过分析两种搭接形式在不同预紧力下的孔边应力分布,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。分析表明:
2、随着螺栓预紧力增加,层合板孔边拉应力水平不断降低;双板搭接的孔边应力明显低于单板搭接的孔边应力。关键词:复合材料层合板;接触算法;搭接;预紧螺栓中图分类号:TB330文献标识码:A1引言2有限元模型建立复合材料结构的连接方式主要有胶接、机械连211模型介绍[1]接、混合连接三种。本文研究的是机械连接中的复合材料层合板的搭接形式主要有单板搭接和[2]受剪螺栓连接,受剪螺栓的外载荷主要依靠螺栓双板搭接两种,针对两种搭接形式,分别建立单板搭杆受剪切及螺栓杆与被连接件的挤压来承受,连接接和双板搭接三维模型,一个钛合金受剪螺栓连接,件间只要较小的预紧力。但是在某些
3、特殊结构的设具体尺寸如下图1(a)所示。层合板共20层,对称计中,为了满足连接件的疲劳寿命要求和系统密封铺设,每层厚度012mm,总厚410mm。螺栓为标准性要求,采用受剪螺栓连接时需要施加较大的预紧钛合金螺栓,螺帽和螺母厚度均为211mm。为了更[324]力。预紧力引起的连接件间摩擦力,能够分担螺加准确的模拟螺栓连接的受力情况,采用全尺寸三栓传递的载荷,但也使结构的受力更加复杂。解析维接触模型进行计算分析,将被连接件之间、连接件[5]法分析会有较大的误差,目前较为有效的途径是与螺栓杆之间、螺母螺帽与被连接件之间均设为面[628]采用有限元方法进行数值计
4、算和分析。面接触。对刚性面采用Target170单元(ANSYS单本文研究了预紧力的施加方法和有限元非线性元)模拟,对柔性面采用Contact173单元(ANSYS[9][10]接触算法,应用ANSYS软件对复合材料层合单元)模拟,实体部分采用八节点体元划分,采用预板钛合金受剪螺栓连接结构建立了全尺寸三维有限紧力单元Prets179(ANSYS单元)模拟螺栓预紧[11]元接触模型,利用预紧力单元模拟了螺栓预紧力。为了简化螺纹连接,将螺母与螺栓杆融为一体。力,获得了不同搭接形式下预紧力对层合板孔边拉两个模型中有体单元5768个和8482个,接触单元应力和层
5、间应力的影响关系,为复合材料层合板的524对和762对,三维模型如图1(b)所示。螺栓连接计算提供了方法和参考依据。边界条件为:左端固支,右端施加均布拉力,如3基金项目:国家自然科学基金(10477018);西北工业大学科技创新基金(W016143)来稿日期:2008209211修回日期:2009201215第一作者简介:张永杰,男,1979年生,博士,西北工业大学航空学院;研究方向———飞行器结构设计与有限元数值计算方法。E2mail:zyj19191@nwpu.edu.cn390应用力学学报第26卷图1(b)所示。e接触边界上接触力向量;δ珔u为单元
6、内虚位移向量;eeeδu为单元节点虚位移向量;Ω为单元区域;Γ为单ee元是作用面力的边界;σ为单元内的应力向量;δε为单元内虚应变向量。由有限元应力、应变基本公式有eee珔u=Nuδ珔eeeu=Nδu(2)δεeeδe=Buσeee=BDuee其中:N为单元形函数矩阵;B为单元应变矩阵;D为弹性矩阵。可以将式(1)写为δeTeTeeu(BDBdΩ)u=∫eΩδeTeTeeTeTeeuNPvdΩ+δuNPsdΓ+Rj(3)∫eeΩ∫Γ写成矩阵形式为eeeeKu=P+Rj(4)eee其中:K为单元刚度矩阵;P为单元载荷向量;Rj为单元接触力向量。将其它与接触
7、边界无关的单元进行组装后,得到Ku=P+R(5)图1其中:K为总体刚度矩阵;P为总体载荷向量;R为总212材料数据体接触力向量。[12]钛合金材料常数为E=150GPa;μ=0133。分别对两个物体单独写出其刚度方程[10]复合材料材料常数为EX=130GPa;EY=EZ=KⅠuⅠ=PⅠ+RⅠ1015GPa;GXY=GYZ=GXZ=418GPa;μXY=μYZ=(6)KⅡuⅡ=PⅡ+RⅡμXZ=0137。对称铺层顺序为[±45/0/±45/90/+下标Ⅰ、Ⅱ分别代表物体Ⅰ、Ⅱ。45/0/0/-45]S。接触问题属不定边界问题,即使是弹性接触问题也具有表面
8、非线性,主要包括接触面积变化引起3有限元接触问题的非线性、接触压力分布变化引起的
