孔摩擦对复合材料机械连接强度的影响研究.pdf

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1、·机械制造·吕霞，等·孝r／孔摩擦对复合材料机械连接强度的影响研究钉／孔摩擦对复合材料机械连接强度的影响研究吕霞。周储伟(南京航空航天大学航空宇航学院，机械结构力学及控制国家重点试验室，江苏南京210016)摘要：建立了复合材料层合板单钉连接强度分析的三维模型，模型考虑了螺栓一孔接触面的摩擦效应。研究结果表明，在各个铺层中，随着摩擦系数的增大，周向应力和径向应力减小。螺栓一孔接触面摩擦系数对复合材料的拉压强度和剪切强度有较大影响，在一定范围内增加摩擦系数将会提高接头的极限破坏载荷关键词：复合材料；螺栓连接；摩擦系数；应力分布；连接强度中图分类号：T

2、H131文献标志码：A文章编号：1671．5276(2015)03．0036．03ResearchonEfectofFrictiononStrengthofCompositeLaminateinBoltJointLVXia，ZHOUChu—wei(StateKeyLaboratoryofMechanicsandControlofMechanicalStructures，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，CollegeofAerospaceEngineering，Nanjing210016，C

3、hina)Abstract：Athree-dimensional(3D)finiteelementmodelofcompositelaminatesinsingleboltjointisbuilttoinvestigatetheefectoffrictionbetweenboltandholeonthejointstrength．Theresearchresultshowsthatasthefrictioncoeficientincreases，thecircumfer-entialstressesandradialstressesdecrease

4、ineachply．Therefore，tensileandshearstrengthsofthecompositelaminatejointaregreatlyinfluencedbythefrictionbetweentheholeandbolt．Withinareasonablerange，elevatingthefrictioncoeficientcanincreasethecriticalloadcapacityoflaminatesjoint．Keywords：composites；boltedjoints；frictioncoefic

5、ient；stressdistribution；jointstrength0引言1有限元模型复合材料具有高比强度、高比刚度和优异的可设计某复合材料层合板与金属板采用双剪单钉连接方性，广泛应用于航空结构⋯。航空结构中存在着大量的式_8]．复合材料板的尺寸见图1。复合材料层板的尺寸、连接，机械连接(铆钉或螺栓)是最常用的连接方式。因铺层见表1。单铺层的弹性常数和强度参数见表2，金属板其脆性和各向异性．复合材料连接区域的应力集中比金属和螺栓螺帽的材料参数见表3。三维有限元模型见图2。结构更加严重．在挤压面上应力分布比金属构件复杂得由于不考虑分层．所以选用

6、连续壳单元模拟，共划分了多，挤压面的质量，如粗糙程度、钉与孔之间的间隙等都可7094个单元。采用小位移滑移摩擦的主从面接触算法．能直接关系到连接强度和失效形式。Chen[2]认为摩擦力孔与螺栓之间采用紧密接触．在切向采用罚函数(Penalty)，在法向使用硬接触，模拟复合材料层合板的连的存在降低了螺栓一孔挤压面上的应力集中程度。Hyer_3J也认为摩擦系数可以影响挤压面上应力的分布，但是这些结论都是基于平面应力状态下的二维分析。复合材料机械连接处真实的应力场是三维的，且受很多因素影响(如接触面粗糙度，铺层顺序等)，这些因素只有三维模型才能考虑。摩擦

7、系数对复合材料连接破坏影响的研究工作尚不多见，如姜云鹏l4]研究了摩擦对孔边应力的影响，但尚未涉及破坏强度。文中基于商用软件ABAQUS建立了螺栓连接的三维模型。并引入Hashin_6失效准则和改进后Camanho[7]刚度退化模型．研究了挤压面上摩擦系数对孑L边应力及最终连接强度的影响。损伤分析利用UMAT子程序实现。图1复合材料层合板几何尺寸基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272147，10772078)；航空科学基金(2013ZF52074)；机械结构力学及控制国家重点试验室开放基金(1001—1ZDl3001—1353)；江苏省高校

8、优势学科建设工程项目。作者简介：吕霞(1988一)，女，硕士研究生，主要研究方向是力学建模与仿真。·36·http!fZZ