CN106768916A - 一种采用均匀钉载进行复合材料螺栓连接结构最终失效载荷预测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用均匀钉载进行复合材料螺栓连接结构最终失效载荷预测的方法，包括以下步骤：(1)根据螺栓连接结构信息计算强度包线；(2)采用均匀钉载方法计算每个螺栓的钉载系数、确定关键孔及其应力比；(3)采用强度包线计算关键孔失效载荷和失效模式；(4)利用关键孔失效载荷计算螺栓连接总的失效载荷。本发明是相对于现有的需要采用试验或者复杂分析计算钉载分配再进行失效预测的方法，采用均匀钉载进行最终失效载荷预测，大大降低了失效预测时钉载分配的计算量。

Description

一种采用均匀钉载进行复合材料螺栓连接结构最终失效载荷 预测的方法

技术领域

本发明涉及复合材料连接结构的失效预测，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复杂复合材料螺栓连接结构。

背景技术

先进复合材料具有高比强度、高比刚度、优异的抗腐蚀、抗疲劳性能和性能可剪裁设计等诸多优点，已成为现代飞机结构的主要材料，其在飞机结构上的应用部位已由次承力结构向主承力结构发展。复合材料螺栓连接结构是复合材料结构的一种重要连接形式，同时也是复合材料结构的薄弱环节，因此准确预测复合材料螺栓连接的失效对于复合材料螺栓连接结构的设计和分析具有重要的意义。

随着复合材料连接结构设计和应用经验的积累，工程设计人员建立了一些计算成本小、便于应用的复合材料螺栓连接设计和强度校核工程方法，如强度包线法、特征尺寸法等。无论采取何种强度校核方法，首先都需要通过钉载分配方法确定关键孔及其载荷比R(钉传载荷/旁路载荷)，然后再进一步预测关键孔的失效载荷和失效模式，即通过钉载分配方法确定关键孔及其载荷比R是预测结构失效的前提和关键。本发明在分析连接结构的钉载分配情况时认为各个螺栓的钉传载荷相同，即采用均匀分配载荷的预测方法。由均匀钉载分配方法分析得到关键孔的载荷比，进而可以采用强度包线法预测关键孔的失效载荷，最终对整体结构的失效载荷及失效模式进行预测。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种采用均匀钉载进行复合材料螺栓连接结构最终失效载荷预测的方法，适用于工程应用中复合材料螺栓连接结构的失效分析，代替了基于刚度法等方法的螺栓连接结构载荷分配预测方法，提出了一种不考虑连接结构损伤过程中载荷比变化的载荷比计算公式，为复合材料螺栓连接结构设计与失效分析节省了大量时间和成本，提高了结构设计效率，可用于预测复合材料多钉连接结构的失效。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种采用均匀钉载进行复合材料螺栓连接结构最终失效载荷预测的方法，实现步骤如下：

步骤A，根据螺栓连接结构信息计算强度包线；

步骤B，采用均匀钉载方法计算每个螺栓的钉载系数、确定关键孔及其应力比；

步骤C，采用强度包线计算关键孔失效载荷和失效模式；

步骤D，根据关键孔失效载荷及步骤确定的关键孔载荷系数计算多钉连接结构失效载荷，根据关键孔失效模式确定多钉连接结构的失效模式。

进一步的，所述步骤A中根据螺栓连接结构信息计算强度包线的实现过程结合图3表示如下：

(A1)根据层压板开孔拉伸试验得到开孔拉伸失效载荷F_ult，作为E点的横坐标；

(A2)结合层压板拉伸强度试验得到的层压板拉伸强度[σ_b]，根据下式计算得到复合材料开孔拉伸应力集中减缩系数K_tc；

其中，W为层压板宽度，D为层压板孔直径，t为层压板厚度。

(A3)根据下式利用同尺寸各向同性材料应力集中系数，确定层压板应力集中释放因子C_re；

K_tc＝1+C_re(K_te-1)

其中，K_te为各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数。

(A4)利用下式计算复合材料受载孔应力集中减缩系数K_bc，确定斜线CE的斜率；

η_CE＝-K_tc/K_bc；

其中，K_be为各向同性材料受载孔拉伸应力集中系数。

(A5)由层压板开孔挤压试验得到层压板挤压失效载荷F_bru，作为A点的纵坐标。

(A6)根据层压板压缩强度试验得到层压板压缩失效载荷F_cu，计算层压板压缩强度[σ_c]；

(A7)对挤压失效载荷作用下受载孔层压板进行应力分析，确定层压板压缩特征点P，P点为等应力压缩曲线与挤压失效平面的交点；

(A8)对任一拉伸载荷作用下的开孔层压板进行应力分析，获得P点的拉伸应力σ_tp，并由下式计算拉伸比例因子α_by；

σ_tp＝α_byF_by

(A9)分别根据下式计算压缩比例因子α_br和AH的斜率η_AH。

σ_cp,A＝α_brF_bru＝[σ_c]

其中，σ_cp,A为P点在载荷状态A下的压缩应力，F_br,ΔH和F_by,H分别为载荷状态H相对于载荷状态A增加的钉传载荷和旁路载荷。

(A10)过A点作斜率为η_AH的斜线，斜线与CE延长线的交点为H点，AHE即为修正强度包线。此处得到的是关于连接结构承受载荷的强度包线，根据连接结构的几何尺寸对该强度包线进行坐标变换即可以得到连接结构关于应力的强度包线。

进一步的，所述步骤B采用均匀钉载方法计算每个螺栓的钉载系数、确定关键孔及其应力比的实现过程为：

(B1)认为钉载均匀分配，则每个螺栓的钉载系数相同，此时钉载系数μ的计算公式如下：

其中，i＝1，2，…，N为螺栓编号，见图2，N为螺栓总数；

(B2)此时螺栓连接中间板螺栓孔j的钉传载荷和旁路载荷的计算公式如下：

其中，F为外载荷，可见，采用均匀钉载方法时，不同螺栓孔的钉传载荷没有差别，只是不同螺栓孔的旁路载荷不同，所以旁路载荷最大的螺栓孔是双搭接结构中板内距夹持端最近的孔，该最左侧的螺栓孔是关键孔；

(B3)关键孔的载荷比γ为：

则关键孔的挤压应力和旁路拉伸应力比R_s：

其中，W和D分别为连接板宽度和开孔直径。

进一步的，所述步骤C中根据上述步骤中确定的复合材料孔板的强度包线预测关键孔的失效载荷及失效模式的实现过程为：

(C1)根据步骤B中确定的关键孔载荷比绘制通过原点的斜线，则该斜线与载荷强度包线的交点即为连接结构的失效点。根据步骤B中确定的关键孔应力比在应力强度包线图中绘制过原点的斜线与应力强度包线相交，该交点也是结构的失效点且与载荷强度包线中的失效点对应同一种情况。

(C2)上述失效点在载荷强度包线图中的横纵坐标之和为关键孔失效载荷，若失效点位于挤压失效曲线上，则关键孔失效模式为挤压失效，若失效点位于拉伸失效曲线上，则关键孔失效模式为拉伸失效。

进一步的，所述步骤D为根据关键孔失效载荷及关键孔载荷系数计算多钉连接结构失效载荷，根据关键孔失效模式确定多钉连接结构的失效模式，其实现过程如下：

由上述步骤已经获得关键孔的失效模式和连接结构的钉载分配系数，关键孔处螺栓的钉传载荷为载荷强度包线图中失效点的纵坐标，则总体失效载荷的计算公式如下：

F＝F_brN

连接结构的失效模式与关键孔的失效模式相同。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在对复合材料螺栓连接结构进行载荷分配预测时采用均匀钉载的分析方法，将各个螺栓的载荷分配系数计算过程大大简化，同时也简化载荷比R和应力比R_s的计算公式，为结构强度的分析和连接结构的设计带来了方便。

(2)在结构失效预测过程中，本发明提出的均匀钉载分配方法相对于刚度法分析钉载分配方法在预测载荷分配系数对失效影响时具有更高的模拟精度，不仅在复合材料螺栓连接结构设计与失效分析过程节省了大量时间和成本，同时还进一步提高了结构设计的精度。图3为本发明涉及的均匀钉载分配方法与刚度法计算钉载分配方法对结构失效载荷和失效模式的预测结果对比图。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是复合材料多钉连接结构螺栓位置示意图；

图3是强度包线绘制示意图；

图4是利用本发明分析预测结构失效与刚度法实现钉载分配的对比示意图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3和图4，对本发明方法的具体实现进行阐述如下：

1.根据螺栓连接结构信息计算强度包线；

首先进行层压板开孔拉伸试验确定强度包线拉伸破坏段与横轴(旁路载荷轴)的交点；结合层压板拉伸强度试验和同尺寸材料应力集中系数等计算得到强度包线拉伸破坏段的斜率；通过层压板的开孔挤压试验得到挤压破坏段与纵轴(钉传载荷轴)的交点；结合层压板压缩强度试验和压缩特征点P的应力状态等计算拉伸破坏段的斜率，进而最终得到载荷强度包线，其具体实现流程结合图3如下：

①根据层压板开孔拉伸试验得到开孔拉伸失效载荷F_ult，作为E点的横坐标；

②结合层压板拉伸强度试验得到的层压板拉伸强度[σ_b]，根据下式计算得到复合材料开孔拉伸应力集中减缩系数K_tc；

其中，W为层压板宽度，D为层压板孔直径，t为层压板厚度。

③根据下式利用同尺寸各向同性材料应力集中系数，确定层压板应力集中释放因子C_re；

K_tc＝1+C_re(K_te-1)

其中，K_te为各向同性材料开孔板拉伸应力集中系数。

④利用下式计算复合材料受载孔应力集中减缩系数K_bc，确定斜线CE的斜率；

η_CE＝-K_tc/K_bc；

其中，K_be为各向同性材料受载孔拉伸应力集中系数。

⑤由层压板开孔挤压试验得到层压板挤压失效载荷F_bru，作为A点的纵坐标。

⑥根据层压板压缩强度试验得到层压板压缩失效载荷F_cu，计算层压板压缩强度[σ_c]；

⑦对挤压失效载荷作用下受载孔层压板进行应力分析，确定层压板压缩特征点P，P点为等应力压缩曲线与挤压失效平面的交点；

⑧对任一拉伸载荷作用下的开孔层压板进行应力分析，获得P点的拉伸应力σ_tp，并由下式计算拉伸比例因子α_by；

σ_tp＝α_byF_by

⑨分别根据下式计算压缩比例因子α_br和AH的斜率η_AH。

σ_cp,A＝α_brF_bru＝[σ_c]

其中，σ_cp,A为P点在载荷状态A下的压缩应力，F_br,ΔH和F_by,H分别为载荷状态H相对于载荷状态A增加的钉传载荷和旁路载荷。

⑩过A点作斜率为η_AH的斜线，斜线与CE延长线的交点为H点，AHE即为修正强度包线。此处得到的是关于连接结构承受载荷的强度包线，根据连接结构的几何尺寸对该强度包线进行坐标变换即可以得到连接结构关于应力的强度包线。

2.采用均匀钉载方法计算每个螺栓的钉载系数、确定关键孔及其应力比；

①认为钉载均匀分配，则每个螺栓的钉载系数相同，此时钉载系数μ的计算公式如下：

其中，i＝1，2，…，N为螺栓编号，见图2，N为螺栓总数；

②此时螺栓连接中间板螺栓孔j的钉传载荷和旁路载荷的计算公式如下：

其中，F为外载荷，可见，采用均匀钉载方法时，不同螺栓孔的钉传载荷没有差别，只是不同螺栓孔的旁路载荷不同，所以旁路载荷最大的螺栓孔是双搭接结构中板内距夹持端最近的孔，该最左侧的螺栓孔是关键孔；

③关键孔的载荷比γ为：

则关键孔的挤压应力和旁路拉伸应力比R_s：

其中，W和D分别为连接板宽度和开孔直径。

3.根据上述步骤中确定的多钉连接结构中复合材料孔板的强度包线预测关键孔的失效载荷及失效模式；

根据第一步中确定的关键孔载荷比绘制通过原点的斜线，则该斜线与载荷强度包线的交点即为连接结构的失效点。根据第一步中确定的关键孔应力比在应力强度包线图中绘制过原点的斜线与应力强度包线相交，该交点也是结构的失效点且与载荷强度包线中的失效点对应同一种情况。上述失效点在载荷强度包线图中的横纵坐标之和为关键孔失效载荷，若失效点位于挤压失效曲线上，则关键孔失效模式为挤压失效，若失效点位于拉伸失效曲线上，则关键孔失效模式为拉伸失效。

根据关键孔失效载荷及关键孔载荷系数计算多钉连接结构失效载荷，根据关键孔失效模式确定复合材料多钉连接结构的失效模式。

利用上述步骤中得到的关键孔失效载荷除以关键孔载荷系数计算得到多钉连接结构失效载荷，计算公式如下，关键孔失效模式即多钉连接结构的失效模式。

F＝F_brN

连接结构的失效模式与关键孔的失效模式相同。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种采用均匀钉载进行复合材料螺栓连接结构最终失效载荷预测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤A，根据螺栓连接结构信息计算强度包线；

步骤B，采用均匀钉载方法计算每个螺栓的钉载系数、确定关键孔及其应力比；

(B1)认为钉载均匀分配，则每个螺栓的钉载系数相同，此时钉载系数μ的计算公式如下：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{N}$

其中，i＝1，2，…，N为螺栓编号，N为螺栓总数；

(B2)此时螺栓连接中间板螺栓孔j的钉传载荷和旁路载荷的计算公式如下：

$F_{br}^j=\frac{F}{N}$

$F_{by}^j=\frac{N-i}{N}F$

其中，F为外载荷，可见，采用均匀钉载方法时，不同螺栓孔的钉传载荷没有差别，只是不同螺栓孔的旁路载荷不同，所以旁路载荷最大的螺栓孔是双搭接结构中板内距夹持端最近的孔，该最左侧的螺栓孔是关键孔；

(B3)关键孔的载荷比γ为：

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{N-1}$

则关键孔的挤压应力和旁路拉伸应力比R_s：

$R_s=\frac{W-D}{D}\mathrm{\γ}$

其中，W和D分别为连接板宽度和开孔直径；

步骤C，采用强度包线计算关键孔失效载荷和失效模式；

步骤D，根据关键孔失效载荷及步骤确定的关键孔钉载系数计算多钉连接结构失效载荷，根据关键孔失效模式确定多钉连接结构的失效模式。