層合板預(yù)緊螺栓搭接孔邊應(yīng)力分析

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1、第26卷第2期應(yīng)用力學(xué)學(xué)報Vol.26No.22009年6月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSJun.2009文章編號:100024939(2009)02203892043層合板預(yù)緊螺栓搭接孔邊應(yīng)力分析張永杰孫秦(西北工業(yè)大學(xué)710072西安)摘要:針對復(fù)合材料層合板預(yù)緊螺栓單板搭接和雙板搭接結(jié)構(gòu),分別建立了全尺寸三維有限元模型,應(yīng)用非線性接觸算法模擬螺栓連接,采用Prets179預(yù)緊力單元施加螺栓預(yù)緊力。通過分析兩種搭接形式在不同預(yù)緊力下的孔邊應(yīng)力分布,得到了預(yù)緊力與孔邊拉應(yīng)力以及預(yù)緊力與孔邊層間應(yīng)力的關(guān)系曲線。分析表明:

2、隨著螺栓預(yù)緊力增加,層合板孔邊拉應(yīng)力水平不斷降低;雙板搭接的孔邊應(yīng)力明顯低于單板搭接的孔邊應(yīng)力。關(guān)鍵詞:復(fù)合材料層合板;接觸算法;搭接;預(yù)緊螺栓中圖分類號:TB330文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言2有限元模型建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接方式主要有膠接、機(jī)械連211模型介紹[1]接、混合連接三種。本文研究的是機(jī)械連接中的復(fù)合材料層合板的搭接形式主要有單板搭接和[2]受剪螺栓連接,受剪螺栓的外載荷主要依靠螺栓雙板搭接兩種,針對兩種搭接形式,分別建立單板搭桿受剪切及螺栓桿與被連接件的擠壓來承受,連接接和雙板搭接三維模型,一個鈦合金受剪螺栓連接,件間只要較小的預(yù)緊力。但是在某些

3、特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)具體尺寸如下圖1(a)所示。層合板共20層,對稱計(jì)中,為了滿足連接件的疲勞壽命要求和系統(tǒng)密封鋪設(shè),每層厚度012mm,總厚410mm。螺栓為標(biāo)準(zhǔn)性要求,采用受剪螺栓連接時需要施加較大的預(yù)緊鈦合金螺栓,螺帽和螺母厚度均為211mm。為了更[324]力。預(yù)緊力引起的連接件間摩擦力,能夠分擔(dān)螺加準(zhǔn)確的模擬螺栓連接的受力情況,采用全尺寸三栓傳遞的載荷,但也使結(jié)構(gòu)的受力更加復(fù)雜。解析維接觸模型進(jìn)行計(jì)算分析,將被連接件之間、連接件[5]法分析會有較大的誤差,目前較為有效的途徑是與螺栓桿之間、螺母螺帽與被連接件之間均設(shè)為面[628]采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)

4、算和分析。面接觸。對剛性面采用Target170單元(ANSYS單本文研究了預(yù)緊力的施加方法和有限元非線性元)模擬,對柔性面采用Contact173單元(ANSYS[9][10]接觸算法,應(yīng)用ANSYS軟件對復(fù)合材料層合單元)模擬,實(shí)體部分采用八節(jié)點(diǎn)體元劃分,采用預(yù)板鈦合金受剪螺栓連接結(jié)構(gòu)建立了全尺寸三維有限緊力單元Prets179(ANSYS單元)模擬螺栓預(yù)緊[11]元接觸模型,利用預(yù)緊力單元模擬了螺栓預(yù)緊力。為了簡化螺紋連接,將螺母與螺栓桿融為一體。力,獲得了不同搭接形式下預(yù)緊力對層合板孔邊拉兩個模型中有體單元5768個和8482個,接觸單元應(yīng)力和層

5、間應(yīng)力的影響關(guān)系,為復(fù)合材料層合板的524對和762對,三維模型如圖1(b)所示。螺栓連接計(jì)算提供了方法和參考依據(jù)。邊界條件為:左端固支,右端施加均布拉力,如3基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(10477018);西北工業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金(W016143)來稿日期:2008209211修回日期:2009201215第一作者簡介:張永杰,男,1979年生,博士,西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院;研究方向———飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元數(shù)值計(jì)算方法。E2mail:zyj19191@nwpu.edu.cn390應(yīng)用力學(xué)學(xué)報第26卷圖1(b)所示。e接觸邊界上接觸力向量;δ珔u為單元

6、內(nèi)虛位移向量;eeeδu為單元節(jié)點(diǎn)虛位移向量;Ω為單元區(qū)域;Γ為單ee元是作用面力的邊界;σ為單元內(nèi)的應(yīng)力向量;δε為單元內(nèi)虛應(yīng)變向量。由有限元應(yīng)力、應(yīng)變基本公式有eee珔u=Nuδ珔eeeu=Nδu(2)δεeeδe=Buσeee=BDuee其中:N為單元形函數(shù)矩陣;B為單元應(yīng)變矩陣;D為彈性矩陣?？梢詫⑹?1)寫為δeTeTeeu(BDBdΩ)u=∫eΩδeTeTeeTeTeeuNPvdΩ+δuNPsdΓ+Rj(3)∫eeΩ∫Γ寫成矩陣形式為eeeeKu=P+Rj(4)eee其中:K為單元剛度矩陣;P為單元載荷向量;Rj為單元接觸力向量。將其它與接觸

7、邊界無關(guān)的單元進(jìn)行組裝后,得到Ku=P+R(5)圖1其中:K為總體剛度矩陣;P為總體載荷向量;R為總212材料數(shù)據(jù)體接觸力向量。[12]鈦合金材料常數(shù)為E=150GPa;μ=0133。分別對兩個物體單獨(dú)寫出其剛度方程[10]復(fù)合材料材料常數(shù)為EX=130GPa;EY=EZ=KⅠuⅠ=PⅠ+RⅠ1015GPa;GXY=GYZ=GXZ=418GPa;μXY=μYZ=(6)KⅡuⅡ=PⅡ+RⅡμXZ=0137。對稱鋪層順序?yàn)閇±45/0/±45/90/+下標(biāo)Ⅰ、Ⅱ分別代表物體Ⅰ、Ⅱ。45/0/0/-45]S。接觸問題屬不定邊界問題,即使是彈性接觸問題也具有表面

8、非線性,主要包括接觸面積變化引起3有限元接觸問題的非線性、接觸壓力分布變化引起的