資源描述：
《復(fù)合材料多排釘機(jī)械連接有限元分析方法研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、第19卷第4期航空學(xué)報(bào)Vol.19No.41998年7月ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAJuly1998技術(shù)簡(jiǎn)訊復(fù)合材料多排釘機(jī)械連接有限元分析方法研究遲堅(jiān)謝鳴九(飛機(jī)強(qiáng)度研究所,西安,710065)RESEARCHONMULTIPLE-BOLTEDCOMPOSITEJOINTBYFINITEELEMENTANALYSISChiJian,XieMingjiu(AircraftStrengthResearchInstitute,Xi′an,710065)由于安全、
2、可靠、傳遞載荷大和耐環(huán)境等突出優(yōu)點(diǎn),目前在飛行器的復(fù)合材料重要受力結(jié)構(gòu)件之間,機(jī)械連接仍是主要采用的連接方式,且大多采用多排釘連接。確定每個(gè)釘排的[1]承載比例是計(jì)算多釘連接強(qiáng)度的基礎(chǔ),有兩大類(lèi)方法可供應(yīng)用:實(shí)驗(yàn)研究和分析方法。實(shí)驗(yàn)研究方法耗資大,試件加工要求嚴(yán)格,難以對(duì)影響釘載分配和強(qiáng)度的眾多因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究,而且試驗(yàn)結(jié)果帶有一定的分散性。分析方法則耗資較小,并可考慮多種參數(shù)的影響,其中最常用的是有限元法。鑒于用有限元法較系統(tǒng)地計(jì)算復(fù)合材料機(jī)械連接尚未見(jiàn)報(bào)道,采用NASTRAN程序研究了元素類(lèi)型
3、、網(wǎng)格密度及連接形式等參數(shù)對(duì)釘載分配的影響,并與典型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。本文給出四排釘連接的部分計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。1有限元模型簡(jiǎn)化機(jī)械連接形式一般可以分為單剪和雙剪兩大類(lèi),見(jiàn)圖1和圖2。坐標(biāo)系如圖所示,坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圖示試件的左端,并在B板中面上。單剪連接只有上、下兩層,雙剪連接有上、中、下3層。沿x方向設(shè)有J個(gè)結(jié)點(diǎn),沿y方向設(shè)有I個(gè)結(jié)點(diǎn)。試件左端施加軸向均勻拉伸載荷,右端固支。圖1單剪單列14釘連接圖2雙剪單列4釘連接被連接板用4結(jié)點(diǎn)等參薄膜-彎曲元——QUAD4元素模擬。該元素可以使用各向同性
4、、(總體)各向異性或正交異性等3種材料模式,其中第2種要求輸入層壓板的正則化拉伸剛度和彎曲剛度,第3種要求直接輸入復(fù)合材料單層板的性質(zhì)。金屬板采用各向同性材料模式,1998204217收到,1998205218收到修改稿500航空學(xué)報(bào)第19卷復(fù)合材料板采用各向異性材料模式或正交異性材料模式。上述3種材料模式均有薄膜和彎曲兩種元素:薄膜元只允許x,y方向有位移;彎曲板元只約束繞z軸的旋轉(zhuǎn)自由度。連接螺栓可以用短梁元或彈簧元模擬。(1)短梁元BAR元系一棱柱形的一維直梁彎曲單元,其中性軸、重力軸及剪切中
5、心軸全部重合,可以承受剪力、彎矩和扭矩。對(duì)于單剪連接,每個(gè)螺栓只需用1個(gè)短梁元模擬;對(duì)于雙剪連接,每個(gè)螺栓需用2個(gè)短梁元模擬。(2)采用標(biāo)量彈簧元ELAS2模擬螺栓,不引用性質(zhì)卡,所需剛度數(shù)據(jù)在單元卡中給出。彈簧剛度K按參考文獻(xiàn)[1]第4章推薦的下列公式計(jì)算K=AG?L2式中:G為螺栓材料剪切模量;A為螺栓面積,A=PD?4;D為螺栓直徑;L=(t1+t2)?4,t1和t2分別是兩個(gè)被連接板的厚度。對(duì)于單剪連接,每個(gè)螺栓需用2個(gè)彈簧元模擬,即要填寫(xiě)2張CELAS2卡;雙剪連接則卡片數(shù)加倍。2釘載分配
6、計(jì)算結(jié)果及與試驗(yàn)結(jié)果的比較針對(duì)雙剪連接形式研究了網(wǎng)格密度對(duì)釘載分配的影響,計(jì)算結(jié)果列于表1,所取計(jì)算參數(shù)為W=60.0mm,e=36.0mm,p=48.0mm,t1=5.0mm,t2=18.0mm,釘徑D=12.0mm。A板為T(mén)300?5222復(fù)合材料層壓板,鋪層比例(0°?±45°?90°=50?40?10),單層厚度0.125mm,E1=135.0GPa,E2=9.4GPa,G12=5.00GPa,M12=0.28;B板為30CrMnSiA鋼板,E=196.0GPa,G=75.5GPa,M=0.
7、30。采用短梁元和薄膜元分別模擬釘與板。表1節(jié)點(diǎn)密度對(duì)單列4釘連接釘載分配的影響沿板寬節(jié)釘間節(jié)點(diǎn)釘載分配?%序號(hào)點(diǎn)數(shù)I數(shù)JD第1排第2排第3排第4排13055.5020.5310.1913.7825045.4025.0914.5214.9935246.6821.7215.1916.4147040.2627.4917.2015.0557241.4723.8818.3216.3367441.3623.8518.3916.40711035.9529.5819.5214.95811436.9825.7921
8、.0916.13表2給出了元素類(lèi)型和連接形式對(duì)釘載分配的影響。計(jì)算中取I=7,JD=2。除單剪連接時(shí)取t2=9mm,以及表中注明的計(jì)算參數(shù)外,其余均同表1。對(duì)于復(fù)合材料板,表2中的“膜元”和“彎曲板元”采用總體各向異性材料模式,“復(fù)材膜元”和“復(fù)材彎曲板元”采用正交異性[2]材料模式。此外,本文選擇了可靠性較高的兩項(xiàng)單、雙剪連接試驗(yàn)結(jié)果,列于表2之2A與9A兩行,用于與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。第4期遲堅(jiān)等:復(fù)合材料多排釘機(jī)械連接有限元分析方法研究501表2元素類(lèi)型和連接形式對(duì)
