钉头对复合材料单搭接结构破坏模式影响研究

为了研究单搭接螺栓连接结构的承载特性及钉头形式对其影响,进行了单搭接连接件的拉伸试验与数值模拟仿真,试验结果表明:钉头形式对连接结构失效模式影响较大,凸头螺栓连接件的层合板只有挤压破坏,沉头螺栓连接件主要为净截面拉伸破坏;数值分析采用面内失效和层间分层失效的渐进失效方法建立三维模型,计算结果显示凸头螺栓连接件在层合板孔边附近出现了严重的纤维损伤和挤压分层损伤,而沉头螺栓连接件层合板的净截面应变明显偏大导致拉伸破坏,计算结果与试验结果吻合良好。     

基于连续损伤模型的层合板多钉连接结构失效分析

为了对复合材料多钉结构进行失效分析,本文应用复合材料连续损伤模型以及螺栓Joshon-Cook塑性力学模型,模拟复合材料单搭接多钉连接结构的失效模式,在验证方法有效性的基础上,分析了间隙配合的选取对连接结构的影响。研究发现,间隙配合对结构的失效模式、载荷响应影响并不明显,但会加剧结构的次弯曲效应;提出的模型能够准确预测连接结构的位移载荷响应以及极限失效载荷。     

高温环境复合材料螺栓连接振动的防松试验

具有耐高温、轻质、高强等特点的复合材料及其连接结构可满足航空航天领域的迫切需求,已广泛应用于工程中。为比较高温振动环境下不同复合材料螺栓连接形式的防松效果,进行了常/高温条件复合材料搭接板的随机振动试验研究。以搭接结构固有频率为评判量,通过对比试件承受振动载荷作用前后的固有频率变化,研究了常/高温环境下高温胶、双螺母防松形式,以及沉头螺栓张角等因素在给定随机振动载荷下对搭接结构连接刚度的影响。研究结果表明:常温随机振动条件下双螺母防松、60°沉头螺栓的防松性能更好;高温环境下,高温胶防松、30°沉头螺栓连接形式性能较优。     

CFRP连接孔几何误差对螺栓连接结构拉伸强度的影响规律研究

针对CFRP沉头螺栓连接孔制孔几何误差对连接结构拉伸强度的影响规律开展了相关研究。为了更为准确预测连接结构的应力变化情况,首先基于准静态试验建立了TC4ELI钛合金的本构模型,并基于Hashin失效准则以及界面的双线性本构建立了复合材料模型,在此基础上形成了复合材料沉头螺栓连接结构的有限元模型,并针对3个主要的制孔误差对连接结构力学性能的影响进行了数值模拟以及实验验证。研究结果表明所建立的有限元模型能够较为准确地预测连接结构失效形式以及拉伸强度。其次,相较于沉头角度以及倒角半径误差,沉头深度几何误差对最终连接结构最大应力值的影响最为显著,同时锪窝孔尺寸上下偏差对连接结构拉伸性能的影响具有较为明显的差异性。     

复合材料螺栓连接的强度预测与失效分析研究

采用APDL二次开发语言,建立了多层复合材料层合板螺栓连接的三维有限元模型,应用牛顿-拉普森非线性迭代算法,对多层复合材料层合板的螺栓连接模型的失效分析进行了研究,并对其最终失效进行了预测。分析计算得出层合板的铺层顺序不同,几何尺寸不同,螺栓连接结构的失效形式就不相同。在一定的程度上,采用合理的铺层顺序,可以优化载荷分配,提高连接效率。     

飞机复合材料长桁面外拉伸失效分析

考虑几何、材料以及接触非线性因素,引入Hoffman材料失效准则,采用Newton-Raphson增量迭代方法建立复合材料长桁面外拉伸失效有限元仿真方法。设计验证性试验,测试三种不同长桁构型面外拉伸失效载荷和破坏模式,绘制载荷-位移曲线,证明有限元分析方法准确、有效。分析有限元和试验测试结果,研究复合材料长桁面外拉伸失效影响因素,给出飞机强度设计指导。     

平纹编织C/SiC复合材料层合板偏轴拉伸性能研究

通过理论和试验方法,分析了平纹编织C/Si C复合材料的偏轴拉伸性能。在室温下进行(0°/90°)和(±45°)、(30°/60°)试件的轴向拉伸试验和(0°/90°)试件的面内剪切试验。结果表明,材料的面内力学性能与材料纤维的方向角有明显的关系。经典层合板理论在初始低应力阶段仍然适用于平纹编织C/Si C复合材料,但随着载荷的增大,由于拉剪损伤耦合效应的影响,计算的应力-应变曲线逐渐偏离试验曲线。根据试验数据,给出了拉剪耦合的影响公式,对经典层合板理论模型进行修正,由修正后模型得到的计算应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。     

三维编织碳/碳复合材料(C/C)的拉伸性能及损伤

C/C复合材料具有优异的高温性能 ,采用编织结构可改善其受外载时的内部应力状态 ,提高力学性能。但是 ,三维编织 C/C复合材料结构、组织的多样性 ,加大了其性能及损伤研究的难度。本文主要研究了三维编织 C/C复合材料的拉伸性能及损伤扩展过程 ,分析了影响性能的主要因素 ,并总结了材料的损伤破坏方式     

碳/碳复合材料的载流摩擦磨损性能及机理

在高速载流摩擦磨损试验机上对碳/碳复合材料进行摩擦磨损试验,研究了不同电流、载荷和滑动速度下复合材料的摩擦因数、磨损率及磨损表面形貌,并分析了磨损机理。结果表明:在一定载荷作用下,随电流和滑动速度增大,碳/碳复合材料的摩擦磨损性能先保持良好而后趋于恶化;在电流和滑动速度一定的条件下,较低和较高的载荷都会恶化碳/碳复合材料的摩擦磨损性能;随着摩擦表面温度升高,碳/碳复合材料基体开始氧化流失,碳纤维脱落形成磨屑,从而导致磨粒磨损;随后摩擦表面的高温使磨屑软化,磨屑在机械应力作用下逐渐被碾压成碳膜,形成粘着磨损;磨损表面温度的进一步升高以及高速冲击的作用破坏了碳膜的完整性,从而恶化了碳/碳复合材料的摩擦磨损性能。     

铺层顺序和垫板对复合材料层压板钉拉脱性能影响分析

机械连接是飞机复合材料结构最重要的连接方式之一,其面外拉脱性能直接影响结构机械连接的强度.本文针对常用的材料和铺层形式,设计相应的试样,开展了铺层方式、材料及金属垫板对复合材料层压板面外拉脱性能影响的试验研究,获取了相应的失效形式.试验结果表明,铺层比例为(40/50/10)具有更高的钉拉脱性能;对复合材料层压板增加金...     

动态组合载荷作用下螺栓连接结构松动机理研究

针对动态拉压与剪切组合载荷作用下随动装置回转机构的螺栓连接发生松动现象,采用虚拟样机技术和有限元分析方法,研究失效机理及其影响因素。基于虚拟样机技术,提取回转机构故障螺栓连接结构的载荷;用有限元方法分析螺栓连接结构的螺栓数量、预紧力、连接件厚度、弹簧垫片的影响规律;建立数字化分析的评价指标体系,指导防松措施改进设计。以某型随动装置回转机构螺栓改进设计研究为例,基于数字化设计分析技术进行了螺栓连接松动机理研究,结论表明,改进设计与实际工程相符,螺栓连接结构不再发生松动失效。     

复合材料厚板单钉螺栓连接强度研究

在Abaqus有限元软件中,建立复合材料层合板单钉单剪螺栓连接结构的三维有限元模型,引入三维Hashin准则作为失效判据,同时考虑拧紧力矩因素,分别采用分区退化方案和整体退化方案对不同厚度层合板单钉单剪螺栓连接结构的失效过程和连接强度进行分析预测。计算结果与试验结果的对比表明:普通退化方案得到的位移载荷曲线折减不够,且最终不能下降,采用分区退化模型的计算结果较为准确;随着板厚的增加,螺栓连接强度呈下降趋势,且下降速度由快变慢,即随着层合板厚度的增加,结构承载能力的提升程度减小;合适的拧紧力矩可以增大结构的极限强度,过大的拧紧力矩不利于结构的承载。     

外弯矩和蠕变对螺栓法兰连接紧密性的影响

螺栓法兰连接是石油化工机械设备等工业装置中最重要的静密封连接形式之一,其失效的主要原因是泄漏.在考虑垫片的非线性和连接结构部件(法兰、螺栓和垫片)蠕变的基础上,采用ABAQUS软件对承受外弯矩作用的螺栓法兰连接结构进行了三维数值模拟,研究了外弯矩和蠕变对连接结构紧密性的影响.研究结果表明,外弯矩使连接结构垫片应力分布不均匀,蠕变进一步加剧了应力分布的不均匀性并使垫片应力减小;受拉侧垫片应力减小导致了连接结构的泄漏.     

整体编织加筋碳/环氧复合材料圆柱壳压缩试验

进行了整体编织复合材料圆柱壳轴压试验.实时记录载荷与多点变形曲线,测试蒙皮和加筋梁翼缘的应变,监测加载过程声发射信号,捕获破坏瞬态红外照片.测试结果显示:整体编织加筋碳/环氧复合材料具有较高的破坏强度,蒙皮和加筋梁翼缘腹板斜断口破坏,呈现脆性材料特征.     

碳碳复合材料的水射流钻孔技术研究

针对磨料水射流加工碳碳复合材料的冲孔过程,结合Fluent分析高压磨料水射流的射流压力、靶距对碳碳复合材料冲孔深度的影响;利用ANSYS/Ls-dyna有限元分析软件建立磨料和水的射流冲击模型,针对射流压力是冲孔分层的的主要因素进行仿真,得出材料失效时最大的应力和整个射流过程中应力的变化规律,由最大应力所在位置的层间y向位移变化确定分层情况;根据仿真结果进行相应的试验研究,并将仿真结果与实验结果进行对比分析,验证了射流仿真模型的可行性和有效性。     

平纹编织C/SiC材料复杂应力状态的力学行为试验研究

利用Arcan夹具,实现对2D平纹编织C/SiC复合材料拉剪、压剪加载试验,研究材料在复杂应力状态下的力学行为,分析材料的损伤演化和失效模式。试验结果表明,材料在拉剪复杂应力状态下不同角度的应力—应变曲线呈现非线性关系;在压剪复杂应力下,随着加载角度增大,应力—应变曲线非线性程度增大。断口分析表明纯剪切形成平齐断口,受拉应力影响材料在拉剪复杂应力状态下形成斜断口。试验分析表明,适当的压应力能提高抗剪切破坏能力。偏移型椭圆失效判据与试验值吻合较好,该失效判据能较好地描述材料在复杂应力状态下的破坏行为,能较好反映材料的强度特征。     

热-力耦合作用下螺栓连接松动行为研究

为研究高温环境下螺栓连接结构松动行为,开展温度和横向振动载荷耦合作用下螺栓连接结构的松动行为及防护方法研究。利用光学显微镜、白光干涉三维形貌仪、扫描电子显微镜分析螺纹表面的损伤形貌,揭示其磨损机制;结合动力学响应分析,研究螺栓连接结构的松动行为。试验结果表明：随着温度的升高,螺栓连接结构因变形不一致导致构件之间的相对运动加剧,在相同横向交变位移载荷下,螺栓表面的磨损更加严重,螺栓连接结构松动程度增大;在室温条件下,DLC涂层螺栓/螺母和CrAlN涂层螺栓/螺母连接结构具有良好的防松性能。     

受流条件下碳碳复合材料的摩擦学特性研究

以碳碳复合材料和铬青铜作为配副,研究了受流条件下碳碳复合材料的摩擦学特性.结果表明:速度、载荷和电流是影响受流条件下碳碳复合材料摩擦学特性的重要因素.在电流一定的条件下,碳碳复合材料的摩擦因数和磨损率随速度的增大而增大;摩擦因数随载荷的增加而增大,而磨损率随载荷的增加而减小.在载荷一定条件下,随着电流的增加,碳碳复合材料的摩擦因数减小而磨损率增大.与一般条件下的摩擦学特性相比较,碳碳复合材料在受流条件下的摩擦因数明显降低,而磨损率却明显提高.     

板厚对单钉单剪复合材料接头挤压强度和次弯曲效应的影响分析

接头设计是飞机、汽车和舰船等复合材料结构工程应用的重要内容。针对易发生次弯曲效应的复合材料单钉单剪机械接头,建立含沉头螺栓的机械接头有限元模型,在试验验证模型有效性的基础上,分析对比了层合板厚度对接头挤压失效和次弯曲的影响。发现了薄层合板接头的挤压失效载荷与厚层合板接头的挤压失效载荷相近。同时,在发生挤压失效时,出现了薄层合板接头的次弯曲现象没有厚层合板接头的次弯曲现象严重的现象。考虑到工程中机械接头一般设计为挤压失效模式,本研究所发现的接头失效特征可为工程结构充分发挥复合材料的减重潜力提供一定建议。     

压气机试验件转子连接螺栓断裂失效分析

某型低压压气机试验件在进行试验时发生故障,转子连接螺栓发生断裂。螺栓冶金分析的结果表明16个连接螺栓的断裂位置全部都在螺母贴合面附近,断口有两类:10个螺栓拉断,6个螺栓拉弯断裂,全部为过载断裂,螺栓硬度偏设计值下限。后续对该螺栓的强度进行了分析,对不同强制位移下螺栓承受的轴向力进行了分析,并对9个螺栓断裂后剩余螺栓的轴向载荷、位移变化情况进行了分析。得到的结果能很好地验证试验件螺栓断裂的失效形式。