层合板多钉连接载荷分配均匀化方法

层合板多钉连接载荷分配均匀化方法 黄豪杰 张博平(西北工业大学航空学院,西安 710072) ResearchonHomogenizetheLoadDistributionofCompositePlatesMulti-FastenersJoint HUANGHao-jie,ZHANGBo-ping (SchoolofAeronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " 【摘 要】对不同钉孔配合下复合材料与金属铝板多钉双搭接的载荷分配进行计算,结果表明,通过 在大载荷孔上采取间隙配合及小载荷孔上施加干涉配合的方法可显著影响多钉连接载荷分配,使得各钉 载荷趋于均匀。 关键词:层合板;多钉连接;载荷分配均匀化;钉孔配合 【Abstract】Amethodthatusedifferentbolt-holefitshavebeendevelopedtohomogenizetheloaddis tributionofcompositelaminatesandmetalplatemulti-fastenersjoint,Theresultshowthatthismethodis available,thebolt-holefitscansignificantlyaltertheloaddistributioninthejoint. Keywords:Compositelaminates;Multi-fastenersjoint;Homogenizetheloaddistribution;Bolt- holefits 中图分类号:TH12 文献标识码:A 文章编号:1001-3997(2007)04-0031-02 1引言 复合材料具有很高的比强度和比刚度,近年来,先进复合材 料在高性能航空航天领域获得了越来越广泛的应用。复合材料 多钉机械连接以其工艺简单、连接可靠、传递载荷大等特点,大 量被工程结构采用。由于加工制造等方面的原因,孔的实际尺寸 总是在其尺寸及其公差范围内服从统计规律。研究表明,钉 孔的不同配合情况对多钉连接的载荷分配有一定影响的[1]。本 文通过有限元计算,分析研究不同钉孔配合对各钉载荷分配的 影响,采用在大载荷孔上施加间隙配合而在小载荷孔上施加干 涉配合的方法均匀化各钉载荷分配,同时利用一套强度准则来 判断层合板多钉连接时的各单层的破坏形式。 2计算模型 考虑如图 1所示双搭接结构,中间板为复合材料(T300/ QY8911),铺层顺序为[45/0/-45/90]2s。性能参数如表1。搭接板材 料为铝合金,弹性模量和泊松比分别为 70GPa和 0.33。由于结 构有两个几何对称面,为计算简便,沿复合材料板中面取上半部 分进行计算。复材板和铝板厚度均为 2mm,板长为170mm,板宽 为 40mm,孔径为 5mm,孔距为 24mm,模型参考坐标系如图 1 所示。 图1计算模型 表1T300/QY8911材料性能参数 3数值计算 利用Ansys软件计算多钉连接载荷分配,复合材料板和金 属板都采用8节点实体单元,螺钉与孔的配合采用接触单元来 模拟。孔边应力变化较快的区域有限元网格适当细一些,而周边 的网格相对较粗,这样既保证结果的准确性又节省计算资源,有 限元网格如图2所示。 图2有限元网格图 模型的边界条件为固定复合材料板中面所有节点 z向位 移,固定铝板右端面x方向位移,固定两板对称面上所有节点的 y方向位移,然后在复合材料板左端面施加 100MPa的均布载 荷,由于只取了一半进行建模,该载荷相当于在复合材料板端面 施加了8KN的载荷。 选取金属板两钉中间横截面以及右端面节点,将 x方向(参 考坐标系如图1所示)应力沿板宽积分,就可以得到该截面传递 的载荷,进而得出各钉的载荷分配。由于工程结构中的干涉量和 间隙量一般都在 1%孔径以内,孔公称尺寸为 5mm,计算时选取 三孔直径为分别 4.97mm、5.00mm、5.03mm的排列组合以及滑 配合即三孔直径都为公称直径 5mm,一共分为七种情况,本文 分别计算在这七种情况下各钉的载荷分配。 *来稿日期:2006-09-27 E1T 135 GPa E1C 126 GPa E2T 8.8 GPa E1C 10.7 GPa G12 4.5 GPa v12 0.33 ST11 1548 MPa SC11 1266 MPa ST22 55.5 MPa SC22 218 MPa S12 89.9 MPa Ⅰ Ⅱ Ⅲ 第4期 2007年4月 -31-Machinery Design & Manufacture 机械设计与制造 4结果分析及讨论 4.1载荷分配的计算 表2给出了七种不同的钉孔配合组合及对应的各钉载荷分 配,其中负的干涉量表示在该孔采用的是间隙配合。从表中可以 看出,不同的钉孔配合组合对载荷分配的影响较大。对Case1钉 孔配合模式,Ⅰ钉承载最大,达到了 46.13%,在 Case5情况中, 该钉的承载降到了29.85%。从表中还可以看出以下规律,即在 孔上施加干涉配合,能提高该孔的承载量,相反,在孔上施加间 隙配合,该孔的承载量也随之降低,这可以用来均化多钉连接载 荷分配,Case6钉孔配合组合正好这一点。 表2不同钉孔配合时各钉载荷分配(总载荷:8kN) 4.2孔边单元破坏形式 引用一套破坏准则来判断复合材料层合板各单层的破坏形 式[2]: 基体拉伸破坏准则 !22+!33>0, (1) 基体压缩破坏准则 !22+!33<0, (2) 纤维拉伸破坏准则 !11>0, (3) 纤维压缩破坏准则 !11<0, (4) 式中,!ij(i,j=1,2,3)是指三个方向的应力,sij(i,j=1,2,3)指各方 向的强度,上标 T、C分别代表拉伸和压缩时的情况。实际计算 时,S23、S12都用S12代替。 计算结果表明,在总载荷为 8KN下,破坏形式主要表现为 孔边应力集中部分的单元出现基体拉伸破坏,未发现有纤维断 裂情况。图3和图4分别为Case0钉孔配合组合情况和Case6 钉孔配合情况下孔边单元的破坏情况。从图中可以看出,holeⅠ 处破坏单元的数目明显多于其他两孔。对比两种钉孔配合组合, 破坏的单元位置和数目很接近,这说明在第Ⅱ孔施加 0.03mm 的干涉量并没有造成孔边单元的损伤。 图3Case0孔边单元破坏情况图(载荷8KN) 图4Case6孔边单元破坏情况图(总载荷:8KN) 5结论 在复合材料多钉机械连接中,不同的钉孔配合对各钉载荷 分配的影响较大,紧配合能提高该孔的承载能力,而间隙配合能 够降低对应孔的承载量,借此可以用来均化多钉连接载荷分配。 多钉连接时,复合材料的破坏形式以孔边应力集中部分基体开 裂为主,在孔径为 5mm孔上施加 0.03mm的干涉量不会造成孔 边单元的损伤。 参考文献 1M.A.McCarthy,C.T.McCarthy,G..S.Padhi,Asimplemethodfordetermining theeffectsofbolt-holeclearanceonloaddistributioninsingle-column multi-boltcompositejoints,compositeStructure73(2006)78-97. 2HashinZ,Failurecriteriaforunidirectionalfibercomposites,Journalof AppliedMechanics1980,47:329-34. 3C.T.McCarthy,M.A.McCarthy,Three-dimensionalfiniteelementanaly sisofsingle-bolt,single-lapcompositeboltedjoints:PartⅡ-effectsof bolt-holeclearance,Compositestructures71(2005)159-175. 4刘萍,张开达,干涉对复合材料叠层板螺钉连接疲劳强度的影响,航 空学报,Vol.12No.12. Case 0 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 干涉量(Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ)mm 0/0/0 0.03/0/-0.03 0.03/-0.03/0 0/0.03/-0.03 0/-0.03/0.03 -0.03/0/0.03 -0.03/0.03/0 载荷分配(Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ)% 39.98/25.30/34.71 46.13/27.12/26.77 43.78/19.24/36.98 38.24/29.12/32.64 39.02/21.08/39.90 29.85/28.23/41.92 30.15/36.8/33.05 -32- 第4期黄豪杰等:层合板多钉连接载荷分配均匀化方法