复合材料螺栓联接螺纹载荷分布规律研究

基于Abaqus有限元分析软件建立了复合材料螺栓联接的三维有限元模型,以预测复合材料螺栓联接的螺纹载荷分布,为使模型符合真实情况,将螺母支承在弹性地基上并通过Abaqus USDFLD子程序考虑了C基或SiC基复合材料拉压不对称特性。此外,本文对预测金属螺纹的载荷分布的Yamamoto方法进行了经验性的推广,使其可以反映C基或SiC基复合材料的各向异性和拉压不对称性。通过对比多组材料及几何参数下推广的Yamamoto方法（EYM）和有限元法（FEM）预测的螺纹载荷分布验证了推广的Yamamoto方法的有效性。研究结果表明：复合材料螺栓联接的载荷分布通常比金属联接的载荷分布更均匀;随着螺距与直径之比的增加,螺纹载荷分布不均程度有所增加;复合材料螺栓绕其轴线相对于螺母的转动对载荷分布几乎没有影响。     

针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳特性与失效机理EI北大核心CSCD

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳特性,并与其拉-拉疲劳特性进行了对比。结果表明:针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳强度略低于拉-拉疲劳强度;两种循环载荷下都存在迟滞现象,随着循环数的增大迟滞环不断右移,且偏斜程度和包围面积不断增大。采用扫描电子显微镜对失效试件的断口形貌和微观结构的观察表明:除了垂直于加载方向的基体开裂以及界面脱粘,拉-压循环加载下的细观失效机制还包括平行于加载方向的基体开裂以及层间的开裂。这些平行于加载方向的损伤使得纤维受力状态恶化,最终削弱了针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳强度。     

C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能

通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的模态进行计算和试验分析,确定了其模态参数和振动响应特性;然后通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行正弦扫频振动试验,研究了拧紧力矩对螺栓连接件振动性能的影响规律;最后研究了液态聚硼硅氮烷（L-PBSZ）对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件防松性能的影响。研究结果表明：一阶和三阶固有计算模态频率与试验模态频率一致,因此可以采用有限元分析方法对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行振动响应特性分析;采用正弦扫频振动频谱信号差值曲线分析方法可以检测螺栓连接件是否松动;SEM观察表明,L-PBSZ改性的C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的螺纹副间形成陶瓷填充体,使得螺纹与螺母间有效摩擦系数和有效摩擦面积增加,因此螺母松脱退出的力矩增大,提高了C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的防松可靠性能。     

C/SiC复合材料连接结构拉脱失效机制

通过C/SiC陶瓷基复合材料连接结构单轴拉伸试验，研究了连接结构拉脱失效过程的力学性能变化规律，结合应变测量、高速摄像、CT检测等测试手段从宏观角度和细观角度探究了连接结构拉脱失效过程中的损伤演化过程，确定了陶瓷基复合材料连接结构拉脱失效机制。结果表明：由于螺纹部位沉积及接触状态的差异，导致不同连接结构的初始刚度不一致；随着位移不断增加，连接部位的刚度趋于一致。加载过程中螺纹孔附近受到挤压产生损伤并发生分层现象；当螺纹孔局部的损伤达到一定程度时，连接结构达到最大承载能力，此时随着位移继续增加螺钉开始拉脱，承载能力开始下降，直至螺钉完全拉脱拔出。     

复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏试验与数值仿真

对复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏进行了试验研究,分析了接头的破坏模式、失效载荷和面板对接头的影响。采用ABAQUS有限元软件进行了数值分析,通过与实验结果对比验证其模型的可靠性,预测分析内部的破坏模式以及结构参数对接头破坏的影响,研究了泡沫芯体内部的渐进破坏以及面板和泡沫芯体之间的胶层脱粘破坏。结果表明:泡沫夹芯板预埋螺栓连接结构灌封胶边缘的泡沫先产生裂纹后向中间扩展,中间区域全部开裂时两端裂纹沿着45°方向向上扩展。胶层开裂的区域呈弧形条状,分布在螺栓紧固件的两侧,在面板宽度方向,开裂的区域贯穿两侧。随着预埋件深度的增加最大破坏载荷也在增加,随着预埋件直径的增加亚临界破坏载荷和最大破坏载荷没有比较明显的变化,但最大破坏位移在减小。      

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

考虑面内载荷的复合材料层合板冲击性能

考虑面内初始载荷作用,开展复合材料层合板高速冲击响应与损伤特性研究。设计一种面内拉伸/压缩/剪切初始载荷施加装置,结合气炮试验装置,提出一种初始载荷复合材料高速冲击试验方法,针对X850/IM+和M21C/IMA两种牌号复合材料层合板开展高速冲击试验。结果表明:面内初始载荷对复合材料层合板高速冲击响应和损伤特性有显著影响;相比无初始载荷冲击情况,面内拉伸载荷作用提高了结构抗弯刚度,使冲击剩余速度提高,穿透速度降低,分层损伤面积减小;而面内压缩载荷则反之。      

C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真

利用ABAQUS软件对C/SiC复合材料的纳米压痕实验进行有限元分析,引入内聚力模型来组建材料的本构模型。在细观力学层面上利用Oliver-Pharr方法对不同位置压痕点的载荷位移曲线进行分析,研究复合材料各组分原位力学性能的影响因素,揭示界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷位移曲线、材料硬度、弹性模量的影响规律。该仿真为C/SiC复合材料的工程应用、加工去除机理的研究及纳米压痕实验的参数优化提供理论依据与高效方法。     

基于声发射信号的三维针刺C/SiC复合材料拉伸损伤演化研究

本研究对三维针刺C/SiC(3-dimension needled C/SiC, 3D-N C/SiC)复合材料进行室温单调拉伸和拉伸加载-卸载试验, 利用声发射技术对试样损伤演化进行动态监测。采用K-均值聚类分析方法对小波降噪后的声发射信号进行了损伤模式识别, 结合试样断口扫描电镜观测, 发现3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在五类损伤模式: 基体开裂、界面脱粘、界面滑移、纤维断裂和纤维束断裂。通过快速傅里叶变换(FFT)方法对小波降噪后的信号进行频谱分析得出: 3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在240、370和455 kHz三种频率的损伤信号, 分别对应于界面损伤、基体损伤和纤维损伤。结合单调拉伸试验过程声发射信号能量柱分布和加卸载过程累积能量曲线特征, 分析了试样损伤演化机理。     

Stress distribution and performance of threaded bolts in gasketed flange joints

The performance of the flange joint depends on the relaxation of load in bolts. This in turn affects the gasket stress and control of leakage. A finite element model of flange joint with threaded bolt-nut fastener having zero helix angle is developed and analyzed for stress distribution in the threaded bolt. The stress concentration factor at the thread root region is observed to be non-uniform along the circumference due to the bending behavior of the bolt in the flange joint. The maximum stress is observed in the first engaged thread. The variation in bolt load due to internal fluid, thermal and external loads are also investigated for both single and twin-gaskets (two concentric half-sized single gaskets). The gasket material and gasket configuration are observed to be potential factors causing variation in the distribution of load in the flange joint. In a flange joint subjected to external bending load, the maximum stress concentration in the bolt is observed to be in the first thread, instead of the first engaged thread. Under external bending load, the flange joint loses its structural integrity before the traces of leakage occur in the joint.     

碳纤维/树脂复合材料多钉连接钉载系数测试方法

为解决由于碳纤维/树脂复合材料多钉连接结构中钉载分配状态和测试方法不同导致的钉载系数测试分散性不明确的问题,针对应变片和钉载矢量传感器两种测试方法,提出基于不确定度理论的钉载系数相对测量不确定度的计算模型,并计算两种测试方法对碳纤维X850/树脂复合材料单剪、双剪连接结构钉载系数的相对测量不确定度。结果表明,应变片测试方法中,单剪结构钉载系数无法准确测量,双剪结构钉载系数相对测量不确定度通常超过2.8%,且随结构中螺栓数目和应变片贴片角度偏差的增加而增大;钉载矢量传感器测试方法中,单剪、双剪结构钉载系数均可测试,且针对任意螺栓数目结构,其钉载系数相对测量不确定度最大不超过1.5%。      

复合材料多钉连接钉载矢量传感器

在总结复合材料多钉连接钉载测试方法的基础上,针对单向载荷传感器应用中必须已知钉载方向且需要按照钉载方向装设传感器的缺点,提出了钉载矢量传感器方案。钉载矢量传感器无预设安装角度要求,能够测量载荷方向;并对钉载矢量传感器的选材、应变片方案及开槽尺寸进行了设计,制造了钉载矢量传感器。采用复合材料单钉单剪螺栓连接,分别对钉载矢量传感器测量结果的线性符合性、重复性、安装角度影响以及载荷方向测量能力进行了测试研究。测试结果表明:钉载矢量传感器满足工程上对载荷分配测试的技术要求,验证了本文所提出的钉载矢量传感器的适用性。     

The effect of thread dimensional conformance on yield and tensile strength

This paper presents the results from tests that investigate the effect of thread dimensional conformance of fasteners on yield and tensile strength. Test specimens include combinations of bolts and nuts within dimensional conformance as specified by ASME Standard B1.1-1992, as well as bolts with undersized pitch and major diameters and nuts with oversized pitch and minor diameters. Tensile tests were performed in accordance with ASTM F606-95b. Data from the tests show reduced yield and tensile strength for the fastener combinations with undersized pitch and major bolt diameters or oversized pitch and minor nut diameters, compared to fastener combinations within conformance. Variations in bolt pitch diameter were found to affect the yield and tensile strength by about an order of magnitude more than variations in bolt major diameter or nut pitch and minor diameters. The mean tensile strength for conforming product was found to be as much as 20% greater than the tensile strength for nonconforming product.     

环境温度和间隙对复合材料-金属混合结构机械连接钉载分配的影响

通过有限元模拟与试验相结合的方式,研究环境温度和间隙对复合材料-金属混合结构连接钉载分配和强度的影响。分别建立双钉单剪和三钉单剪有限元模型,并在模型中综合考虑了接触、金属塑性和复合材料渐进损伤等因素,研究了不同温度和间隙情况下钉载的分配情况。研究表明,间隙对初始阶段钉载分配影响较大,但不影响塑性屈服阶段的钉载比例和承载能力;温度改变引起的热应力会带来额外的温度载荷,温度载荷对端部钉载影响较大,温度载荷与机械载荷叠加,会加剧端部钉载的分配不均。      

室温下C/SiC复合材料螺纹紧固件的拧紧特性

探讨了C/SiC陶瓷基复合材料螺纹紧固件在室温下的拧紧特性。试验测试了紧固件在拧紧和拧松过程中, 力矩与预紧力两者的对应关系, 记录了预紧力在短时、 长时内的减小比率, 并用显微镜观察了螺纹面的磨损情况。另外, 分析了材料非线性拉伸行为对拧紧状态所造成的影响。结果表明: 拧紧、 拧松力矩与预紧力之间近似呈线性关系, 螺纹面和支承面的平均摩擦系数分别为0.52和0.46; 随拧紧力矩增大, 螺纹面产生一定程度磨损, 螺纹之间的相互嵌入作用减弱, 因此预紧力在拧紧后的降幅减小, 稳定性提高; 对螺栓进行适当的预拉伸处理, 提高材料的弹性极限后, 可提高紧固件的抗松弛能力。     

冲击载荷对飞机起落架螺纹连接的影响

对近期民航飞机主起落架连杆插销螺栓失效原因进行分析,估计出飞机降落过程中插销螺栓承受的最大冲击载荷为698 MPa,采用Yamamoto方法分析计算得到插销螺栓每一个啮合螺纹的应力分布,利用有限元分析法建立了连杆插销螺栓连接的有限元模型,分析所有啮合螺纹的应力应变场。分析了冲击载荷对螺旋效果和螺纹啮合位置产生的影响,这为飞机起落架的校查及使用寿命预测提供了重要的依据。     

Failure analysis of connecting bolts and location pins assembled on the plate of main-shaft used in a locomotive turbochanger

Three connecting bolts, three location pins and navel of turbo-disk fractured, which were assembled on the plate of the main-shaft used in a locomotive turbochanger. Detailed fractographic study and metallurgical analysis were focused on the trouble bolts. The fatigue fracture is the main failure mechanism of the bolts. Appearance of the surface decarburization layer in the thread tip and root regions of the three failed bolts make the hardness at the thread regions decrease intensely so that the fatigue cracks initiated form the root at the first engaged thread. Surface damage morphology with cutting, wear and plastic deformation features was found on the working flanks of the engaged threads. Other components fractured in succession after the trouble bolt fractured.     

汽轮机高压外缸结合面双头螺栓断裂分析

某电厂汽轮机高压外缸结合面双头20Cr1Mo1VTiB钢螺栓在安装时发生断裂,通过断口分析、化学成分分析、金相检验以及力学性能测试等方法对螺栓的断裂原因进行了分析。结果表明:该螺栓钢存在严重的显微组织缺陷,力学性能指标不符合技术条件要求,减弱了螺栓的承载能力,螺纹处的应力集中效应会加剧螺栓的缺口敏感性,导致螺栓在安装时于螺纹处发生脆性断裂。