纖維增強復合材料廣泛應用在航空航天等領域，螺栓連接是復材構件裝配過程中的常用手段。復合材料與傳統(tǒng)金屬材料在本構關系、損傷行為和失效模式等方面的本質差異導致針對傳統(tǒng)金屬螺栓連接結構的設計經(jīng)驗、規(guī)范和標準難以適用于復合材料螺栓連接結構。目前仍缺乏行之有效的復材螺栓連接結構裝配工藝設計與裝配結果預測方法。
有限元分析是復材栓接結構的常用分析方法，由于建模難度和計算效率的限制，現(xiàn)有的分析方法通常在建模過程中將螺紋緊固件進行簡化處理，忽略具體的螺紋結構。簡化處理導致復材栓接結構的擰緊過程無法被模擬分析，預緊力只能人為設置。這導致摩擦系數(shù)、擰緊力矩等關鍵裝配工藝參數(shù)對于復材栓接結構裝配結果的影響無法通過仿真分析獲得。
為此，上海交通大學林清源等人提出了一種改進的復材栓接結構三維模型。該模型考慮了精細化的螺紋結構，可用于模擬真實的擰緊過程。利用該模型分析了螺栓擰緊力矩與螺栓預緊力之間的關系，并分析了摩擦系數(shù)對結構擰緊系數(shù)的影響。進一步地，建立了復材層合板裝配過程中外表面上非線性壓力分布狀態(tài)的定量分析和預測方法。最后，利用所建立的方法分析了螺栓預緊力、墊圈類型和擰緊力矩對復合材料初始裝配損傷的影響，并通過擰緊實驗和CT無損檢測對分析結果進行了驗證。
內容介紹
文章首先建立了一種考慮精細化螺紋結構的緊固件程序化建模方法。該方法支持用戶自定義緊固件結構參數(shù)、網(wǎng)格密度參數(shù)以及初始裝配參數(shù)，建模程序可以根據(jù)用戶定義的參數(shù)數(shù)值一鍵生成結構的網(wǎng)格模型。
圖1 考慮精細化螺紋結構的緊固件自動建模程序
如圖2(a)所示，以所建立的考慮精細化螺紋結構的緊固件模型為基礎，模擬復材栓接結構的真實擰緊過程，計算過程中考慮了復合材料的層內與層間漸進損傷行為。如圖2(b)所示，設置了墊片類型不同的三種復材栓接結構作為算例，對其擰緊過程進行了仿真分析與實驗驗證。如圖3所示，實驗過程中通過扭矩扳手施加并測量擰緊力矩，通過超聲測試系統(tǒng)監(jiān)測預緊力，通過壓敏試紙檢測壓力分布狀態(tài)，并在裝配結束后通過工業(yè)CT檢測復合材料的內部損傷。
圖2 復材栓接結構真實擰緊過程仿真分析示意圖
圖3 復材栓接結構裝配實驗示意圖
得益于所建立的精細化網(wǎng)格模型，通過仿真分析可以獲得結構擰緊過程中的擰緊力矩和螺栓預緊力數(shù)值。如圖4所示，繪制結構的扭矩預緊力曲線，實驗結果與仿真分析結果基本一致。進一步地，分析了端面摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)兩個關鍵因素對于結構擰緊系數(shù)的影響，摩擦系數(shù)和擰緊系數(shù)之間呈現(xiàn)出了明顯的非線性負相關關系。
圖4 復材栓接結構擰緊系數(shù)及其影響因素
此外，分析了結構裝配過程中螺牙上的應力以及復材層合板上的壓力分布狀態(tài)，并對其進行了定量分析。圖5為螺牙區(qū)域的應力分布情況，可以發(fā)現(xiàn)，應力在不同螺牙上非均勻分布，同時，在螺牙上的不同區(qū)域也分布不均，牙根處出現(xiàn)了明顯的應力集中。如圖6所示，對復材層合板外表面上的壓力分布狀態(tài)進行了定量分析與實驗測試，實現(xiàn)了基于仿真分析結果的實驗結果預測。
圖5 裝配過程螺牙區(qū)域應力分布狀態(tài)
圖6 層合板外表面壓力分布狀態(tài)仿真與實驗結果分析
進一步地，分析了復材栓接結構預緊力過大時，復合材料所可能出現(xiàn)的初始裝配損傷。如圖7所示，初始裝配損傷以分層損傷為主要形式，損傷區(qū)域主要集中在復材層合板兩側靠近緊固件的區(qū)域。同時，墊片的使用可以顯著降低復合材料發(fā)生初始裝配損傷的可能。
圖7 復合材料初始裝配損傷
該工作以“An improved 3D model of composite bolted joints with detailed thread structure and progressive damage analysis of realistic tightening process”為題發(fā)表在一區(qū)TOP期刊《Composite Structures》。第一作者為上海交通大學博士研究生林清源，通訊作者為上海交通大學趙勇副研究員。該研究得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金項目支持。
原始文獻
Lin Q, Zhao Y, Pan W, Liu Y. An improved 3D model of composite bolted joints with detailed thread structure and progressive damage analysis of realistic tightening process. Composite Structures 2023;315:117016. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117016.
