复合材料螺接性能的影响因素研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAslronauticaSinicaApr．252012Vol33No．4755-762ISSN1000—6893CN11—1929／Vmtp：dhkxb．buaa．edu．C,tlhkxb@buaa-edu．cn文章编号：1000—6893(2012)04—0755—08复合材料螺接性能的影响因素研究张岐良，曹增强。西北工业大学机电学院，陕西西安710072摘要：利用有限元软件ANSYS建立了单钉双剪复合材料单拉接头的i／2模型，研究了钉孔配合、螺栓预紧力和接触面问

2、摩擦对接头的强度等性能的影响。设计了若干实验，证明有限元模型是有效的．其计算误差控制在10％以内。有限元计算结果表明；小干涉量的过盈配合能极大地提高接头的强度，与3％间隙量相比，最优干涉量下接头强度可提高36．5％；适当的螺栓拧紧力矩也可提高接头的强度；接头中被连接板间的摩擦对接头强度也是有利的。但在一定接头尺寸条件下，摩擦力的增大有可能会改变接头的破坏模式。以上研究成果为复合材料多钉连接钉载分配均匀化的参数化分析提供了一个突破口．这也是本文后续研究的一个内容。关键词：复合材料；螺栓连接；有限元法；干涉配合；

3、预紧力；失效模式中图分类号：V258．3；TP391．9文献标识码：A复合材料在大型飞机上的大量应用不仅可以实现结构减重、节省燃油，还可改善飞机性能，大幅提高其疲劳寿命。复合材料在军机等机种上的用量已达到或超过50％，在大型民机Boeing787上的应用也已达到50％，空客的A350XWB计划则欲超越波音将复合材料用量提高到52％[1]。出于安全性的考虑及传递大载荷的需要，复合材料连接结构中广泛采用机械连接，包括销钉连接、铆接和螺接等，然而连接孔的引入破坏了材料的连续性，对结构完整性及整体承载能力带来了极为不

4、利的影响口。3]。复合材料螺接接头的强度、连接孔周围的应力分布等受众多因素的影响¨]，如接头几何尺寸、钉孔配合和预紧力等。HUhne等∞]研究了两层合板间液态填充层的厚度对复合材料螺接接头刚度的影响，发现填充层越厚，刚度越低；Park通过实验阳]研究了铺层与预紧力对碳／环氧复合材料层合板剪切强度的影响，同时也在三维有限元模拟[7]中考虑了铺层及顼紧力的效应，发现这两个因素对复合材料板的分层失效及承载强度有很大的影响；Kiral[83研究了不同端径比e／d和宽径比w／d下闾隙配合与干涉配合对复合材料销钉接头的失

5、效模式和承载强度的影响，结果表明干涉配合对不同尺寸的接头均是有利的；Chakherlou等诤]的研究表明干涉配合可以有效提高带孔板接头的疲劳寿命，Pradhan等¨阳也发现干涉量能提高复合材料接头的承载能力及疲劳强度；Pak—diILI阳除研究了不同端径比和宽径比下铺层序列对承载强度及失效模式的影响外，还研究了螺栓预紧力的效应，发现铺层、几何参数和螺栓预紧力影响到层板的失效模式和承载强度。T800级碳纤维增强树脂基复合材料作为高性能的结构材料，其研究与工程应用均还不很充分。本文在前人研究的基础上，利用有限元方

6、法收稿日期：2011-07．26；退修日期：2011·10．19；录用日期：2011·1l-22；网络出版时闻：2011-12—0210：31离络出版地址：WWWonkl．net／kcms／detall／1{，t929V20i1{202．1031．092htmlDOl：CNKI：¨．挎29／V20¨1202，103I．002*通讯作者．Tel．：029-88494454E-mail：czq66326@nwpu．edu．cn荸l焉格武IZhangoL，CaozQ，Study017factorsinfluenci

7、ngtheperformanceofcompositebo／tedconnections．ActaAeronauticaetAstronau-ticaSioica，2012．33‘4)}755-752．张歧盎，f增强．复台树辩螵接性铑的影嘀雹素研究．髋空学报．2012．33t4)}755—762．航空学报Apr．252012Vol33No4并结合实验系统研究了钉孔配合、预紧力及摩擦因数等对T800碳纤维增强树脂基复合材料层合板螺接性能的影响。1有限元模型1．1试件造型应用有限元软件ANSYS12．0研究了单钉

8、双剪复合材料螺接接头的单向拉伸性能，研究参数包括：钉孔间隙量／干涉量、螺栓预紧力及接触面间的摩擦。其中，3块层合板材料均为T800碳纤维增强树脂基复合材料，铺层为[+45／一45／0／+45／90／一45／+45／90／一45／]。，单层厚度t一0．188mm，端径比e／d=3，宽径比w／d一6，试件造型如图1所示。本文中复合材料层合板的力学性能参数见表l，其中：El、E2分别为复合材料板单层的纵向