复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析

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1、第43卷第l期2013年1月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．43No．1Jan．2013复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析江兴亨，张博平，林淡，刘向东(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：对复合材料沉头双钉单搭接机械连接接头进行了静态拉伸试验，并建立了三维有限元模型，编写了材料失效准则和刚度退化准则的累积损伤程序，计算了连接孔的挤压应力和接头损伤，预测了连接的失效载荷。数值计算表明：单搭接产生的附加弯矩使孔边应力沿板厚呈三角形分布；孔边挤压损伤和螺帽的侧向压缩损伤以及极限栽荷与试验结果吻合；位于搭

2、接板自由端的钉孔弯曲变形较小，应设计为沉头孔。关键词：复合材料；沉头；单搭接；累积损伤；附加弯矩中图分类号：V214．8文献标识码：A文章编号：1671—654x(2013)0l-0089—04StaticStrengthAnalysisofDouble-boltSingle—lapCountersunkCompositeJointsJIANGXing-heng，ZHANGBo—ping，UNDan，LIUXiang—dong(&^ooZQ厂Aer0M“t如，Ⅳon^加郡把mPo加e如n沈‰眈瑙蚵，尉’nn710072，醌i胍)Abstract：Athree-

3、dimensionalpm铲essiVedamage6niteelementmodelbyimplementingthematerialfailurec^terionandpmpertydegradationmlesisdevelopedtocalculatethecompressiVestress，damageandfailurestren舒hofdouble-boltsingle-l印countersunkcompositejoint．Numericalresultsshowedad-ditionalmomentcausedbysinde—lapresul

4、tedintriangularstressdistributionaroundholealongthethickness．Reasonableagreementwasfoundbetweenthecompressivedamageamundtheholeandlateralcompressivelydamageaswellasthelimitedloadandtheexperimentalresults．Theboltholelocatedinthef诧eendwhichhasalittledefo瑚ationshouldbedesignedasacounte

5、rsunkhole．Keywords：composite；countersunk；sinde—lap；pmgressiVedamage；additionalmoment引言复合材料机械连接由于传递载荷高、装配简单、维修方便等优点，在飞机结构中占有极其重要的地位，长期以来一直是结构和强度设计的研究对象。由于连接孑L存在应力集中，连接部位成了结构强度的薄弱环节，由此萌生了裂纹与损伤，导致大量结构失效和破坏。在飞机结构中为保证气动外形，经常使用沉头螺栓连接。相较于凸头螺栓连接，沉头螺栓连接更易发生破坏，破坏模式也不相同。Chisht∥o等通过试验和数值分析研究了螺栓

6、扭矩对复合材料单钉单剪连接损伤失效的影响。Starikov心。31通过试验研究了不同材料沉头紧固件连接的静力和疲劳性能。赵美英‘41对复合材料沉头螺栓连接拉脱失效进行了分析，发现对于层合板沉头钉连接，层内和层间的分层破坏是拉脱破坏的主要模式。chen[51等通过建立三维有限元模型对复合材料沉头单钉螺栓连接在弯曲载荷下的接触力进行了研究。目前专门针对复合材料沉头螺栓连接的研究还不多，对沉头多钉螺栓连接更是少见。本文针对复合材料沉头双钉单搭接连接，建立三维有限元模型，结合层合板孑L边应力研究连接的损伤失效机理和预测失效强度，最后通过试验验证了数值模拟方法和结果的正

7、确性。l有限元模型复合材料沉头双钉螺栓连接接头的结构及尺寸如图l所示，它是由上下两块完全相同的复合材料层合板通过两颗反对称的沉头螺栓连接而成。在有限元模型中对钉与孔、板与板等均按接触面设置。由于接触面多，计算时间长，为了减少计算工作量，降低计算规模，根据对称条件，取连接件的一半研究即可。为了减少接触面，计算模型中把整套螺栓作为整体元件来处理，并且对两块搭接板、钉和孑L之间均采用无间隙配合。层合板使用SOLID64八节点各向异性实体单元，螺栓使用SOLID45八结点体单元，层合板网格划分如收稿日期：2012—12—18作者简介：江兴亨(1987一)，男，江西南康

8、人，硕士研究生，主要研究方向为复合材料