孔垂直度误差对机械性能的影响Single-Lap双螺栓复合关节

文摘

静态拉伸实验和数值模拟进行了研究孔垂直度误差对机械性能的影响single-lap双螺栓复合关节。孔倾斜角度,从1到4度不同,孔倾斜方向占复合材料的各向异性性质。渐进破坏模型(PDM)基于Chang-Lessard类型则以Olmedo创建一个扩展,涉及7个失效模式和材料特性是直接预定义场变量的函数。该模型在有限元分析中实现使用UMAT子程序/标准。良好的协议被发现当比较数值模拟结果与实验结果。此外,结果表明,随着孔的倾斜角度,破坏容易产生和复合螺栓接合的加载路径改变改变孔的倾斜方向,导致严重的应力集中在孔的边缘和关节提前失效。

1。介绍

可被识别的纤维和基质的组合使复合多功能材料。他们的高强度加上重量轻导致他们使用任何溢价结构效率。然而,关节总是必要制造大型复合结构,其中保税关节在汽车变得越来越普遍和海洋领域由于其能力提高结构性能和帮助减肥1- - - - - -3]。不过,当负载容量而言,螺栓接合是最重要的方法复合组装尤其是在航空工业由于其承载力高、设备组装,拆卸和维修。对于这样一个关节,至关重要的是机器的利用率的复合材料,例如,演习,因此复合材料层压板的结构完整性被破坏,从而导致应力集中在洞的边缘和承载力显著降低。因此,螺栓接合是一个复合结构设计的关键。

研究复合材料螺栓接合的主要目的是确定各种参数对接头强度的影响。理论结果也被用来为螺栓连接设计的改进和利用碳纤维增强塑料的全部潜力。不可持续的和保守的设计与方法,因此可以避免以满意的数据为基准。研究的参数包括几何因素(4,5],紧固件参数[6),材料特性(7,8),应用因素(9),和生产过程10- - - - - -12]。

过程因素确定复合材料的结构参数、物理机械性能和装配过程产生的残余应力。典型的过程因素包括螺栓孔间隙的影响,精度和互换性的关节,和孔的加工质量。许多因素已经被学者研究除了孔垂直度误差。摘要孔垂直度误差考虑丰富的研究组合螺栓接合。有限元分析(FEA)和实验进行比较评估复合接头的力学性能。

2。问题描述

孔垂直度误差是一种制造缺陷,导致在孔边的应力集中区域。对于single-lap single-bolt复合关节,孔垂直度误差的出现会导致轴承能力降低的螺栓接合12]。然而,通常与多个螺栓组装复合部分工程应用。螺栓孔的垂直度误差会影响对方,最终影响接头的力学性能。在本文中,通过设计和实施拉伸测试single-lap双螺栓复合关节,关节的承载力和破坏模式,以及孔垂直度误差对接头性能的影响。

考虑碳纤维增强塑料的各向异性性质,两个参数用来描述孔垂直度误差,倾斜方向和倾斜角度β,如图1。项目在飞机上的洞,说 ,在哪里是样品的纵向方向。最初的一面是积极的设在终端一个是OC′,即螺栓孔中心轴(图的投影1(一)),积极向积极表现旋转的角度设在。的情况下,板厚度是常数,螺栓孔中心轴的夹角,OC′,理论,OC,用于描述孔垂直度误差的大小(图1 (b))。

只有倾斜方向 和 讨论了减少的参数研究。双螺栓倾斜方向的影响复合关节可以分为6种模式后,考虑结构的对称性。图解图中演示了草图2,红色线代表的是螺栓和黑色箭头表示层压制品及其加载方向。

3所示。方法

3.1。标本和实验过程

本研究中使用的标本由IMS194 CYCOM977-2碳纤维/环氧预浸材料(名义厚度厚度为0.188毫米)和最初设计失败的轴承与对称叠层顺序模式(−45/0/45/90/0/90/45/0 /−45/45 。制造商提供的材料属性如表所示1。突出的头螺栓SCM35合金钢用作紧固件,其弹性模量和泊松比,分别190 GPa和0.3。弹性和泊松比的螺母和垫圈的螺栓都是相同的。的塑料行为SCM35合金钢在桌子上2。

Single-lap双螺栓复合关节准备根据ASTM标准D5961 / D5661 M-13 width-to-hole直径比率 和边缘distance-to-hole直径比率 (13]。标准样品的配置使用固定值的测试参数如图3。

根据ASTM D5961标准,进行静态拉伸测试wdw - 100试验机在位移控制的速度1.0毫米/分钟。实验设置如图4。位移记录使用YSJ50-5-ZC伸长计的计量长度50 mm和测量范围的12.5毫米。加载过程不是停止,直到负载达到最大值,之后下降约30%或位移超过伸长计范围。7.1 Nm的预加载转矩应用螺栓。测试的配置如表所示3和被标记为“π-β- - - - - - ,”,“π”表示模式如图2,意味着孔倾斜角度, ,如果有任何,代表了最大负载应用到联合在测试。否则,共同将被加载到它的失败。注意,30 kN约80%的破坏载荷的single-lap双螺栓组合联合。

3.2。数值模型

探讨孔垂直度误差的影响的力学行为single-lap双螺栓复合关节,采用非线性三维有限元模型8-node固体元素C3D8R利用商业有限元软件,有限元分析(14),如图5。

为了降低计算成本,控制区域的复合材料层压板被忽视和模仿了5元素层厚度方向,避免过度width-to-thickness元素的比例(7]。

接触的所有表面之间的相互作用是通过基于表面接触模型考虑线性处罚方法。十七岁接触相互作用有限滑配方被定义来模拟任意两个部分之间的接口。主表面的刚度相对较大和网格设计成比奴隶粗糙的表面。默认的接触控制和稳定被定义为每个接触对改善收敛。恒定摩擦系数的值设置为0.3 (8]。

边界条件应用于参考点,定义耦合约束节点部分的有限元分析模型如图5。部分是由三个位移自由度有限,而位移荷载应用于部分B与其他两个方向位移自由度固定。预加载力6 kN应用于螺栓杆由“螺栓载荷”功能。

总共有42272个元素的有限元模型。考虑到周边地区孔应力集中的关键领域,细化网格的大小大约是0.36×0.77毫米附近的孔,以确保准确性。粗网格采用进一步降低计算成本。螺栓和垫圈的元素大小成立相应的接触区域的大小分层。

渐进破坏的方法吸引了广泛关注在复合结构的分析和设计,形成有效地模拟损伤演化,最终失败的过程复杂的复合结构。与各向同性材料,复合材料的破坏是一个渐进的过程。渐进破坏的方法是基于损伤力学,作为复合材料的失败损害。材料退化模型是用来描述受损材料的力学行为。

渐进损伤分析包括的应力求解非线性有限元平衡方程,预测损伤起始,损伤演化和刚度退化基于材料失效准则。应力分析主要是由有限元软件和已经从二维模型到三维模型。有不同的失效准则预测损伤起始常包括标准(15[],Tsai-Wu标准16[],Hashin类型标准17),和冰球标准(18]。摘要损伤模型建立了考虑非线性剪切应力-应变行为的影响基于扩展Chang-Lessard类型标准(19,20.]。七个基本微观失效模式综合检测并区分利用故障判据,如(1)- (7)。

拉伸纤维失败, : 压缩纤维失败, : Fiber-matrix shear-out失败, : 矩阵破解失败, : 矩阵毁灭性的失败, : 分层发生在紧张, : 分层发生在压缩, : 在哪里 应力张量的标量组件;, , , , ,和是正常的力量,下标””和“”分别表示抗拉和抗压状态;和 抗剪强度。是一个常数实验参数的确定和设置为2.44×10⁻⁸。

复合材料被逐渐增加负载。一旦失败的压力匹配方程的标准,损害发生。材料的力学性能受损区域中的元素将退化突然下降和退化规则表4。

没有承认退化标准的材料属性。它们中的大多数都是基于实验和经验决定的。突然下降退化模型是相对容易实现,因此广泛应用于复合材料的渐进损伤分析。谭(21),F.-K。Chang和K.-Y。张(22),Camanho和马修斯(23),麦卡锡et al。24],Tserpes et al。25提出不同的退化模型,分别匹配特定的失效准则。

4所示。结果

4.1。模型验证

图6展示了实验结果和有限元分析的荷载位移曲线P0之一。它可以发现所有结果显示相同的趋势。此外,最终的轴承负荷大约38 kN,证明了数值结果可靠当轴承负荷。

如表所示5,P1-4 P0的平均极限载荷和p2 4 38387 N, 37737 N, 37745 N,分别。的差异小于2%,这表明,当孔垂直度误差小于4°,它对极限载荷的影响有限single-lap双螺栓关节。极限载荷的数值预测联合35900 N。错误之间的极限荷载和刚度试验结果和有限元分析结果约6.5%和12.5%,这表明,PDM可以用来预测复合关节的加载失败。

图7显示了实验前层压板的损伤形态P1。可以看出,层压板主要经历了轴承损坏。纤维断裂主要发生在螺栓孔和横向方向最后的层压板。此外,纤维和矩阵的轴承故障主要发生在接触表面的螺栓杆和孔。提到伤害事件都完全预测的数值模拟。如图8失败,拉伸纤维(SDV1),压缩纤维失败(SDV2),拉伸矩阵失败(SDV3),和矩阵毁灭性的失败(SDV4)出现完全对应的区域。此外,轴承损坏的区域可以被隆起的孔和周围的材料延长大约一半的孔直径从墙上的洞(图7浅蓝色曲线)。类似的结果,给出数据8 (b)和8 (d)。最后,分层引起的二次弯曲的搭接孔周围发生和接近加载端(绿色曲线在图7),这也是成功的预测模型(图8 (f))。

轴承故障的复合层压板的组合多个损伤发生。当受到拉伸载荷时,螺栓杆压在螺栓孔。然后,纤维首先承担负载由于其较大的弹性模量和逐渐屈曲随着负载的增加,直到断裂。之后,矩阵压缩失败和fiber-matrix shear-out失败发生层间分层。渐渐地,随着纤维和矩阵故障继续扩大,复合材料层合板的承载力降低。

4.2。参数研究

在本节中,负载的方式- - - - - -承载能力的single-lap双螺栓联合将讨论影响。计算结果如图所示9和细节表6。一般来说,关节刚度和极限荷载有减少的倾向增加的倾斜角度。然而,刚度的下降比的极限载荷大,这表明孔垂直度误差对关节刚度有很大的影响。

如图9(一个)线弹性段的荷载位移曲线为P1大大重合。刚度和极限载荷的偏差小于3%β不超过3度(见表6)。的变化曲线,从线弹性段的非线性段,也是一致的,这表明孔垂直度误差对力学性能影响最小的关节,同时,P2和P3,有增加的显著下降β。当 刚度下降了近12%。最大的关节刚度下降发生在P4,即使这是约23.8% 。很容易理解,P4经历两次P2孔垂直度误差的影响。

图9 (f)显示了不同的联合模式的比较 。唯一的区别在P1和P2之间,以及P4和P5,倾斜方向α。然而,刚度的P1和P2的P5高于P4,分别。它可以得出结论,当孔对负载方向倾斜 ,孔垂直度误差不影响关节刚度比 。详细的比较结果如图10,从中可以得出类似的结论。

4.3。损坏的比较

孔垂直度误差的出现将改变荷载传递路径和影响负载转移通过分层single-lap双螺栓接头。准的结果显然是更多的元素是损坏螺栓孔周围熊更多的负载。拉伸载荷的30 kN为例,给出矩阵破碎损伤的数值结果在图11。图11(a)的破坏云图P0,几乎相同的规模损害为每个层压板在两洞。但是,当孔垂直度误差,元素伤害变得强烈和不均匀,通过比较可以看到数据11(b)和11(c)与11(一)。

证明上述结论,标本加载30 kN,大约80%的极限载荷,拆卸观察孔周围的伤害。被光学显微镜照片如图所示12结果,第一行是P0,第二行是P1的结果 ,最后一行是P2的结果 ,a - 1表明左洞的层压板,和b - 2代表了底部的孔为每个配置层压板。显然,伤害比P1和P2的强烈的P0。P0, P1的伤害只有细微的差别,这证明了参数 不影响联合比吗 。考虑到损伤位置和程度,数值结果表明与实验的一个好的协议。

5。结论

渐进损伤模型基于Chang-Lessard标准使用UMAT子例程的实现有限元分析/标准预测损伤起始,进化,和最终的失败single-lap双螺栓组合联合。七捕获失败模式来预测复合材料的内部损伤。复合螺栓接头的失败的预测与实验结果显示了良好的协议。

螺栓孔倾斜角度4°几乎没有对轴承极限载荷的影响single-lap双螺栓复合关节。然而,刚度是影响。P2和P3的刚度下降迅速增加的倾斜角度。

通过加载30 kN,伤害比P1, P2的强烈的证明P2的初始伤害将发生在相对较少数量的负载。复合材料螺栓关节受到拉伸载荷时,孔与加载方向倾斜 应该更关注和避免的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51375068和51375068),主要国家基础研究发展计划(批准号2014 cb046504),中央大学的基础研究基金(批准号DUT17JC19),科研基础归侨学者、国家教育部。

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