沉头螺接复合材料接头失效预测强度包线法

多钉连接复合材料接头设计分析中,常用强度包线来预测其强度与失效模式。目前所使用的强度包线法只适用于凸头螺接结构,无法应用于沉头螺接结构。该文建立了带衬套沉头螺接复合材料接头有限元模型,对3钉连接结构进行了拉伸性能分析,并通过试验结果验证了模型的有效性,然后用该模型对衬套的作用进行了研究。在此基础上,提出了适用于沉头螺栓复合材料连接结构强度和失效模式预测的强度包线法。结果表明:使用衬套比仅采用螺杆过盈装配能够明显减慢孔边损伤扩展速率,避免接头各钉载的比例在拉伸过程中剧烈变化;引入衬套能提高接头的承载能力和刚度,其2%偏移载荷、极限载荷和刚度比不带衬套接头分别提高了14.08%、5.21%和6.04%。通过计算少量单钉螺接接头的损伤情况,便可以绘制出相应参数多钉连接结构的新型强度包线。利用新型强度包线,能准确预测沉头和凸头螺接接头的强度和失效模式。

CFRP沉头孔锪窝深度误差对连接性能的影响

沉头螺栓连接能保证结构良好的气动外形,常被应用于飞机蒙皮等结构。沉头孔的制备过程中,由于设备条件限制,会导致锪窝深度误差较大,给复合材料叠层结构带来隐患。针对这一问题,结合有限元仿真分析进行单钉单剪的静拉伸试验,研究锪窝深度误差对CFRP连接性能的影响。结果表明:对比于齐平状态的标准窝深值,锪窝较浅对静强度影响较小,较深则会导致结构的静强度下降,且锪窝越深,静强度下降越快。

紧固件沉头高度P值数字化测量方法

针对紧固件沉头高度P值常规测量方法存在的不足,提出了一种基于光学轴类扫描仪的数字化测量沉头类产品沉头高度P值的方法,弥补常规检测方法精度低、质量一致性差等不足,旨在提高检测精度与效率,及时反馈优化生产制造过程中的加工参数,进而保证装配使用产品精度及质量一致性。

沉头螺栓锪窝误差对复合材料连接结构承载性能影响分析

沉头螺栓作为现代飞机复合材料结构中的一种重要连接形式,其锪窝精度与装配质量直接影响结构服役性能。沉头螺栓因其能够保证连接结构表面齐平度,被广泛应用于飞机复合材料连接结构中。由于工艺和结构限制,锪窝角度误差和深度误差通常是不可避免的,并且对连接结构力学特性和承载能力造成影响。针对以上问题,本文开展了沉头螺栓锪窝几何误差对复合材料连接接头承载机理与强度影响研究。在角度误差、偏转方向误差以及深度误差定义分析的基础上,开展了不同误差下的加载试验并进行了显微分析。通过对加载曲线和界面形貌的分析,揭示了不同误差下的结构损伤机理和接头失效载荷,探究了锪窝几何误差对复合材料沉头螺栓单搭接接头力学行为的影响,为沉头螺栓在复合材料连接结构中的高效工程应用提供理论依据。

基于ANSYS Workbench和HyperWorks的航空沉头螺钉动力学分析与参数化研究

为探究某航天工程应用中沉头螺钉的断裂失效行为,开展了对沉头螺钉的动力学分析与参数化研究。通过SolidWorks建立了沉头螺钉的三维模型,并导入ANSYS Workbench和HyperWorks两类有限元分析软件中,分析并验证了不同网格划分方式、网格大小和约束位置对沉头螺钉最大应力的影响程度。基于有限元分析结果,在ANSYS Workbench中研究了十字槽深度、同轴度、沉头角度和圆角半径对沉头螺钉最大应力的影响规律及各参数的灵敏度。研究结果表明:采用两类有限元分析软件得到的应力结果基本一致,仅相差0.1%。采用ANSYS Workbench时的计算效率更高,沉头螺钉的最大应力位置发生在头杆结合处的过渡圆角处,与实际断裂位置完全一致;相比十字槽深度、沉头角度和圆角半径,同轴度参数对最大应力的影响更明显。该分析结果可为工程技术人员预判沉头断裂影响因素及优化结构提供重要参考。

基于视觉测量的沉头孔垂直度检测方法

为了提高沉头孔垂直度检测精度,实现检测过程自动化,提出一种基于视觉测量的沉头孔垂直度检测方法.该方法通过建立沉头孔平行投影数学计算模型,将三维空间测量问题转换为二维平面测量问题.为减小视觉测量过程中因透视投影产生的计算误差,应用透视几何原理修正计算模型,通过牛顿法求解该模型,分析模型计算精度与窝深、物距之间的关系.最后进行了机器人自动化制孔与视觉测量实验,结果表明,采用该方法所得沉头孔垂直度的平均视觉测量误差约为0.03°.

复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构拉伸性能

通过ABAQUS软件建立三维累积损伤有限元模型,计算复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构的条件挤压载荷,并对其损伤机理与破坏过程进行分析;选用适合该类结构层板的损伤判据与衰减准则进行验证。计算获得的初始挤压破坏载荷与实验结果吻合良好,说明所建模型的有效性。在此基础上,分析了接触面摩擦、螺栓刚度和连接金属板刚度等因素对连接结构拉伸性能的影响。结果表明:接触面摩擦因数和螺栓刚度对结构拉伸性能的影响较为明显,金属板刚度的影响很小。

沉头单钉连接层合板拉伸试验与分析

为了研究复合材料层合板沉头单钉螺接结构的拉伸性能,对试验件进行了拉伸试验,并通过ABAQUS/Standard基于Hashin失效判据建立了三维渐进损伤有限元模型,计算得到的条件挤压载荷、极限挤压载荷均与试验吻合良好,说明了所建模型的有效性。在此有限元模型的基础上,分析了挤压过程中钉孔的渐进损伤过程,并且研究了螺栓的拧紧力矩、钉孔间隙和连接金属板厚度等因素对结构拉伸强度的影响。结果表明:拧紧力矩在一定范围内可以提高结构强度,并且抑制了分层损伤的出现;钉孔间隙则改变了钉孔初始接触状态,显著地降低结构的强度,而金属板厚度对结构的强度影响较小。

复合材料层合板沉头螺栓连接研究进展

随着复合材料在航空航天等领域的广泛应用,复合材料沉头螺栓连接研究受到了工程界的关注,但是在实际工程中仅通过数值方法或试验方法难以给出有效的结果。而通过将数值模拟技术与试验方法相结合,可以有效地分析出沉头螺栓连接各因素对载荷分布和力学性能的影响。这对于实际工程中提高复合材料沉头螺栓连接的结构效率有着非常重要的意义。

复合材料层板沉头连接钉载分配影响因素研究

通过ABAQUS软件建立了多钉沉头螺栓连接三维有限元模型,对复合材料层合板与金属板多钉连接结构进行拉伸性能分析,计算了沉头连接的钉载分配情况,并就钉孔间隙、螺栓扭矩、沉头比等因素对钉载分配的影响进行分析。结果表明:与凸头连接相比,多钉沉头连接对钉载分配有一定的改善作用;钉孔间隙和螺栓刚度对钉载分配影响显著,螺栓扭矩和金属板刚度对钉载分配有一定的影响,但并不明显;摩擦和沉头比对钉载分配的影响可以忽略不计。

复合材料层合板沉头多钉连接钉载分配研究

沉头螺栓连接因具有改善钉载分配不均匀性,保持结构表面光滑等优点,在飞行器复合材料表面结构连接中得到了广泛应用。但是国内外对于沉头连接钉载分配却少有研究,通过ABAQUS软件建立复合材料层合板与金属沉头螺栓多钉连接三维有限元模型,计算沉头连接的钉载分配情况。对比凸头连接的载荷分配结果发现:沉头连接对钉载分配有一定的改善作用,且金属板厚度的改变对沉头螺栓载荷分配影响很小。

复合材料层合板沉头螺栓接头拉伸性能试验与有限元仿真

根据ASTM标准设计了复合材料沉头螺栓单钉单搭接头拉伸性能试样,并完成试验件的制备和挤压性能试验。试验过程中采用非接触全场应变测量系统(VIC-3D)对载荷-位移曲线、表面应变场、沉头板上表面面外位移等试验数据进行了采集。基于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit模块建立了复材接头单向拉伸的静力隐式和动力显式三维有限元模型,利用模型搭接区域的变形对试验结果进行验证。采用静力隐式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为14.4%和20.5%;采用动力显式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为13.1%和11.9%。采用动力显式算法精度较高,而且其在接触建模时稳健性很强,可用于后续多钉连接接头以及整体壁板等大型复杂结构建模。

碳纤维增强复合材料沉头螺栓搭接结构强度及渐进损伤分析

碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的力学性能在航空工业中得到了广泛的应用,评估复合材料沉头螺栓连接结构的极限承载和损伤扩展对航空器连接结构的经济性和安全性意义重大。本文首先创建复合材料沉头螺栓搭接三维模型,并采用虚拟热变形法施加螺栓预紧力,然后利用Fortran语言编写VUMAT用户自定义程序,将所选的刚度退化模式与3D Hashin失效准则嵌入渐进损伤模型中,建立有限元损伤预测模型,研究不同搭接端距对复合材料沉头螺栓连接结构失效的影响。研究结果表明:搭接端距主要影响连接结构的剪切强度,端距越小,其极限承载强度越小,当搭接端径比达到2.5时,极限承载强度随着端径比的增大变化较小;基体拉伸损伤首先出现在最底层的0°铺层,纤维压缩损伤首先出现在锪孔和直孔转折处,失效单元沿施载方向扩展至自由边界失效。

热力耦合作用下复合材料沉头螺栓搭接结构渐进损伤研究

本文对采用沉头螺栓连接的复合材料层合板的损伤扩展过程和强度进行了数值研究。建立一个新的三维渐进损伤模型,来预测在扭矩和温度的共同作用下复合材料沉头螺栓搭接结构的极限承载能力和渐进损伤扩展。该模型将考虑热应变的复合材料本构方程、失效准则和材料退化准则、温度诱导的刚度和强度修正参数整合到VUMAT子程序中,采用热力耦合方法进行准静态模拟。研究结果表明:渐进损伤模型能够准确地预测温度和螺栓扭矩对该搭接结构极限承载能力的影响,能够清晰地反映失效机理和损伤扩展过程。随着温度的升高,当扭矩超过15 N·m时,搭接结构的极限承载强度不断减小。层合板纤维损伤主要受0°方向载荷影响,层合板基体损伤主要受90°方向载荷影响,失效单元沿施载方向扩展至自由边界失效。

90°沉孔与90°沉头螺钉的加工要点

在机械加工和装配中,用于固定和联结的平板类零件,经常采用90°沉孔作为90°沉头螺钉或其标准件的配合孔。但是在实际加工过程中,由于两种零件分别加工,到装配现场时,经常有沉孔和沉头不匹配的问题。文中根据现场零件的返修案例,探讨沉孔和沉头螺钉在加工时应注意的工艺性。

带衬套沉头螺栓复合材料/金属接头拉伸性能

对带衬套沉头螺栓连接复合材料/金属接头进行拉伸试验,测量了接头的载荷-位移曲线和面外变形等性能,研究了接头的拉伸行为。利用ABAQUS软件,建立了接头的有限元模型,计算得到的条件挤压载荷、极限破坏载荷和破坏模式与试验结果吻合较好,证明了所建有限元模型的有效性。利用该模型,分析了接头破坏的机理,并进一步研究了螺栓与衬套过盈量、拧紧力矩和钛板厚度等因素对接头拉伸性能的影响。结果表明:适度的增大螺栓与衬套的过盈量能有效提高接头的刚度和强度;在一定范围内增加拧紧力矩能提高接头的承载能力;增加钛板的厚度,对接头的刚度有明显提升,但对极限破坏载荷影响较小。

铺层结构对EP/GF复合材料沉头螺栓连接失效的影响

以环氧树脂(EP)为基体,单层玻璃纤维(GF)布为增强体,利用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了具有[0°]_(_(6s)),[45°/–45°]_(_(3s)),[0°/90°]_(_(3s)),[90°]_(_(6s))铺层结构的EP/GF复合材料层合板,通过拉伸失效实验研究了铺层结构对复合材料层合板沉头螺栓连接承载能力的影响,并进一步分析了4种铺层结构的沉头螺栓连接层合板在拉伸时的失效行为。结果表明,[45°/–45°]_(_(3s))与[0°/90°]_(_(3s))铺层结构的层合板均发生了承载失效,具有较高的螺栓连接承载能力,其中[0°/90°]_(3s)铺层结构的层合板最大拉伸载荷最高,为6.7 k N,[45°/–45°]_(3s)铺层结构的层合板具有最大的失效位移,为14.17 mm;[0°]_(6s)铺层结构的层合板发生了剪切开裂失效,其螺栓连接承载能力低于上述两种铺层结构;[90°]_(6s)铺层结构的层合板发生了净张力失效,其螺栓连接承载能力最低。

复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析

对复合材料沉头双钉单搭接机械连接接头进行了静态拉伸试验,并建立了三维有限元模型,编写了材料失效准则和刚度退化准则的累积损伤程序,计算了连接孔的挤压应力和接头损伤,预测了连接的失效载荷。数值计算表明:单搭接产生的附加弯矩使孔边应力沿板厚呈三角形分布;孔边挤压损伤和螺帽的侧向压缩损伤以及极限载荷与试验结果吻合;位于搭接板自由端的钉孔弯曲变形较小,应设计为沉头孔。

复合材料沉头搭接强度与渐进损伤研究

基于三维渐进损伤理论,引入Tserpes失效准则及其改进的材料性能退化准则,建立复合材料沉头搭接结构的有限元模型。在试验验证数值仿真模型正确性的基础上,探讨了端距、板宽及拧紧力矩对接头强度的影响,并对搭接接头从初始损伤到最终失效的过程进行可视化模拟。结果表明,端径比由2到4、宽径比由3到5、拧紧力矩由0到5.9 N·m的过程中,接头强度明显增强,超过上述范围,强度增加不明显或不再增加。在静拉伸过程中,2号钉孔处复合材料板的损伤程度要比1号钉孔处严重,且2号钉孔的损伤扩展导致接头最终失效;90°铺层最先产生损伤,其类型主要为基体开裂,0°铺层损伤情况最弱,±45°铺层沿着-45°方向产生基体开裂,随后沿板宽方向产生大量纤维断裂。

M3×10 mm十字槽沉头螺钉断裂分析

某发射装置中的1Cr17Ni2钢M3×10 mm十字槽沉头螺钉,在使用中发生断裂。为了确保该发射装置可靠运行,对该螺钉断裂展开了分析和研究。观察了金相组织、测试了硬度,其均符合HB1-206-2002标准要求。通过体视镜对螺钉断口及未断裂螺钉十字槽进行了宏观形貌观察,发现断裂部位存在锈蚀痕迹,而未断裂螺钉十字槽底部已出现裂纹。进一步对断口微观形貌进行了观察与分析,发现断口无明显塑性变形痕迹。能谱分析结果显示,断口区域存在大量Cl-,可判断失效原因为应力腐蚀破坏。建议调整冲压工艺、降低表面拉应力,避免出现应力腐蚀现象,确保发射装置运行可靠性。