纤维金属层板铆接剩余强度影响因素研究

为研究单搭铆接接头中纤维金属层板耦合损伤行为,运用金属硬化Johnson-Cook失效准则、纤维增强复合材料三维Hashin损伤准则、脱层B-K失效理论以及刚度退化失效准则建立了纤维金属层板铆接渐进失效模型,并结合实验验证了模型的合理性。考察了单搭铆接二次弯曲效应、层板铝合金体积分数、预紧力、层板孔边距对纤维金属层板铆接强度和失效模式的影响,为提高纤维金属层板铆接剩余强度提供可靠建议。分析结果表明:二次弯曲效应加速损伤发生,从而降低层板铆接强度,其中偏心加载可以削弱二次弯曲效应,更好地提高铆接强度;层板铝合金体积分数的增大能够提高层板铆接强度,但当体积分数大于50%时层板铆接比刚度和比强度反而下降;预紧力的增加能够提高层板铆接强度和增强层板损伤抗力;随着孔边距的递增,铆接剩余强度有所提高,破坏模式由灾难性拉断失效模式逐渐转化为理想的挤压失效模式,但当孔边距达到一定数值时,铆接强度不再明显提高,而失效模式也维持为挤压破坏。

纤维金属层板铆接损伤机理与预测的研究

纤维金属层板铆接损伤是连接件、被连接件以及铆钉等多个复杂结构的耦合损伤行为。为了预测纤维金属层板铆接损伤行为,采用Johnson-Cook失效准则预测金属层损伤,采用三维Hashin损伤准则预测复合材料层损伤,采用脱层失效理论预测层间开裂,理论预测模型的合理性通过了实验验证。通过损伤预测模型分别考察层板铺层数量、铆接预紧力、铝合金分数和结构几何对纤维金属层板铆接损伤行为及铆接刚度的影响,为FMLs铆接设计提供可行性建议。结果表明:铺层数量的增加加剧了层板自由端层间脱层剥离现象,从而降低了层板铆接强度;铝合金分数的增加能够提高层板的铆接强度,但铝合金分数大于50%时铆接强度和铆接比强度反而下降;预紧力的增大能够延缓纤维和基体的萌生,并且提升铆接刚度,使得纤维金属铆接承受更大载荷;随着横宽径比W/D和纵宽径比E/D的递增,铆接极限强度有所提高,当W/D≥3或E/D≥3时,铆接强度不再明显提高。

纤维金属层板单搭连接二次弯曲影响因素分析

纤维金属层板单搭连接不可避免的会产生二次弯曲效应,而二次弯曲对层板单搭连接强度和疲劳寿命有不同程度的削弱。为了减缓层板单搭连接所产生的二次弯曲效应,采用有限元模型和中性轴模型研究层板装夹方式、层板厚度、外载荷和层板刚度折损对层板单搭连接二次弯曲效应的影响,为层板单搭连接的设计提供建议和依据;结果表明:层板单搭连接有限元模型和中性轴模型都能够很好的预测纤维金属层板二次弯曲效应;对心装夹比偏心装夹对层板二次弯曲效应影响大;层板厚度增加减弱了层板连接处的弯曲应力,但其二次弯曲效应反而加重;外载荷的增加也能够弱化二次弯曲效应,但在偏心装夹情况下,其缓解二次弯曲能力更强;层板刚度折损加剧了连接件的弯曲程度,从而加剧了层板二次弯曲效应。

铆接界面端三维奇异性应力场的研究

针对铆接结构的特点,应用特征函数扩展技术分析柱坐标下接触界面端的应力奇异性问题。建立了柱坐标下圆柱体端面接触边缘附近的三维渐近位移场和应力场渐近表达式,并根据铆钉/被铆接件接触界面端的位移和应力边界条件,建立一个非线性特征方程组。据此方程组可求解界面端邻域的应力奇异性指数、位移和应力角分布函数的数值解。通过与有限元方法计算结果相对比,验证了该方法的有效性。分析了平头、沉头以及半圆头铆钉构成的铆接结构的应力奇异性问题,考察了铆钉材料、几何形式和摩擦系数对接触界面端应力奇异性指数和应力场角分布的影响。