Experimental and numerical investigations on fatigue behavior of aluminum alloy 7050-T7451 single lap four-bolted joints

The fatigue behavior of aluminum alloy 7050-T7451 single lap four-bolted joints was studied by high- frequency fatigue test and finite element （FE） methods. The fatigue test results showed that a better enhancement of fatigue life was achieved for the joints with highlocked bolts by employing the combinations of cold expansion, interference fit, and clamping force. The fractography revealed that fatigue cracks propagated tortuously; more fatigue micro-cliffs, tearing ridges, lamellar structure were observed, and fatigue striation spacing was simultaneously reduced. The evaluation of residual stress conducted by FE methods confirmed the experimental results and locations of fatigue crack initiation. The extension of fatigue lives can be attributed to the evolution of fatigue damage and effect of beneficial compressive residual stresses around the hole, resulting in the delay of crack initiation, crack deflection, and plasticityinduced crack closure.2017 Published by Elsevier Ltd on behalf of The editorial office of Journal of Materials Science ＆ Technology.

循环盐雾环境中碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中铝合金的腐蚀行为

采用循环盐雾加速腐蚀试验,通过腐蚀速率测试、腐蚀形貌观察和电化学方法研究了碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中6082铝合金的腐蚀行为。结果表明:与碳纤维复合材料连接后,6082铝合金的腐蚀速率是未连接试样的13倍,铝合金与裸露的碳纤维接触处的腐蚀最严重。随着腐蚀时间的延长,铝合金的腐蚀电位逐渐下降,腐蚀电流密度增大,耐蚀性减弱,铝合金表面的腐蚀产物逐渐形成致密和疏松的双层结构。

铝合金板件螺栓连接承压强度试验与计算方法

螺栓连接是铝合金结构中最常用的节点形式,对铝合金板件螺栓连接节点的承压性能进行试验研究与分析是十分必要的。结合建筑结构领域常用的2种铝合金材料6061-T6和6063-T5,设定螺栓直径和端距为试验参数,总共对20个螺栓连接节点试件进行了加载试验,得出了节点试件的承压承载力以及荷载与螺栓孔变形的关系。利用ANSYS建立了有限元模型对节点试件进行了数值模拟,计算结果与试验值吻合良好;基于试验验证的有限元模型,分析了螺栓端距、预拉力和摩擦系数等因素对承压性能的影响,总结提出了铝合金板件螺栓连接承压强度的计算公式,可以作为相关设计的参考依据。

螺栓滑移引起的铝合金板式节点网壳变形研究

板式节点螺栓滑移会引起铝合金网壳结构发生明显变形,变形主要取决于节点轴向变形,可通过节点轴向刚度模型来模拟螺栓滑移.为考虑实际工程中螺栓尺寸的随机误差,提出节点轴向刚度的随机多折线模型,分析发现,考虑螺栓尺寸误差计算得到的网壳挠度,可采用理想四折线模型结果拟合.基于轴向刚度四折线模型,分析网壳挠度随螺栓预紧力的变化规律,发现当预紧力高于特定临界值时,网壳变形很小,反之网壳挠度会迅速增大.进一步分析发现:最大网壳挠度与螺栓孔径差、网格环数呈正比,受跨度、矢跨比和支座形式影响较大,与杆件截面及节点板尺寸、荷载大小相关性较小.基于此,提出螺栓滑移引起的最大网壳挠度计算公式,并对工程中常见的拉铆钉和普通螺栓,给出孔隙优化建议.

环境对LY12CZ铝合金典型螺接件疲劳性能的影响

采用加速腐蚀试验方法 ,研究了环境腐蚀和盐雾对LY12CZ铝合金板材的 3种螺接型式、12种防护处理的典型螺接搭接件疲劳性能的影响 ,提出了几种较适用的螺接结构细节防护方法 .结果表明 ,环境严重降低螺接件的疲劳性能 .采用适当的细节防护措施 ,可提高结构的抗环境损伤性能 ,疲劳性能一般有不同程度提高 .其中 ,采用 3号船用润滑脂安装和底漆湿装配是比较有效的方法 ,与未经防护处理的试验件相比 ,其在试验环境中的疲劳寿命分别提高 78.36 %和 83.4 5 % ,DFR值分别提高 15 .0 9%和 15 .88% .

Fe-Mn-Si形状记忆合金的应用研究现状及展望

Fe-Mn-Si形状记忆合金具有原料丰富、价格低廉、力学性能好、使用方便等优点,在工程中具有广阔的应用前景.本文对Fe-Mn-Si形状记忆合金国内外应用研究的现状进行了综述,介绍了Fe-Mn-Si形状记忆合金在紧固连接以及智能混凝土等方面的应用,并对其在工程应用中的发展方向做了展望.

不同装配方法对LY12CZ铝合金典型螺接件腐蚀疲劳性能的影响

研究了LY12CZ铝合金板材的 3种螺接型式、12种防护处理 ,并经环境加速试验的典型螺接件的疲劳性能 ,提出了几种较适用的螺接结构细节防护方法。试验结果表明 ,环境严重降低螺接件的疲劳性能。采用适当的细节防护措施 ,可提高结构的抗环境损伤性能 ,疲劳性能一般有不同程度提高。其中 ,采用 3号船用润滑脂安装和底漆湿装配是比较有效的方法 ,与未经防护处理的试验件相比 ,其在试验环境中的疲劳寿命分别提高 78 36 %和 83 4 5 % ,DFR值分别提高 15 0 9%和 15 88%。

高速列车铝合金车体中铆钉和螺栓联接结构的强度分析

铆钉和螺栓联接结构是铝合金车体中不同金属之间及铝合金之间联接的重要方式。通过铝合金车体强度计算实例,介绍了使用耦合和约束方程建立铆钉和螺栓联接结构有限元模型的方法,提出了铆钉和螺栓联接结构强度的验收标准,以及对铆钉和螺栓联接结构计算结果进行分析的方法。

7050-T7451干涉螺接双剪接头疲劳寿命与失效模式研究

针对不同干涉量的7050-T7451双剪接头,进行疲劳试验,对比分析了不同干涉量接头的疲劳寿命。通过扫描电镜(SEM)方法,研究了干涉接头疲劳断口形貌特征。研究结果表明:采用干涉量0.08 mm^0.14 mm对7050-T7451板材双剪接头进行干涉安装,可取得较好的疲劳强化效果,并且在0.11 mm干涉量下,疲劳寿命增益最显著。7050-T7451双剪接头试样疲劳断口呈现混合型穿晶疲劳断裂特征,材料具备一定韧性。干涉螺接对孔壁有强化作用,干涉螺接的试片裂纹源于结构表面,而不源于孔壁,结构表面的改进将有利于疲劳寿命的提高。

镁合金压铸机哥林柱螺纹副结构优化设计

以2000t镁合金压铸哥林柱螺纹副为例,对其原始设计方案受力情况进行了有限元分析,接着结合螺纹副应力分布特征以及实际使用过程中的疲劳断裂现象,基于ANSYS优化设计功能分别采用承载面倾斜和阶梯型承载螺母结构对哥林柱螺纹副完成了结构优化设计。

TC16钛合金螺栓及其连接30CrMnSiA钢板孔的疲劳行为

利用高频疲劳实验机和自制装置进行疲劳试验,研究了TC16钛合金螺栓连接30CrMnSiA高强度钢板结构的疲劳破坏行为,并通过扫描电镜(SEM)和有限元分析法分析了钢板和钛合金紧固件的失效机理。结果表明:30CrMnSiA高强度钢板件用TC16钛合金紧固件连接时在外加拉-拉疲劳载荷下,其疲劳破坏属于微动疲劳,寿命较带自由孔30CrMnSiA钢板件的常规疲劳寿命下降约60%,脱层和磨粒磨损是板孔微动疲劳的主要损伤形式。TC16钛合金紧固件连接30CrMnSiA高强度钢板结构在拉-拉疲劳载荷下,钛合金螺栓由于弯曲疲劳作用发生弯曲疲劳断裂,而非微动疲劳破坏。TC16钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理有利于改善30CrMnSiA高强度钢连接板的微动疲劳性能。然而,钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理由于韧性降低的缘故,却导致其常规弯曲疲劳抗力明显下降。

安装工况对NiTi合金垫片螺栓法兰连接接头密封性能的影响

NiTi合金具有优异的形状记忆效应和超弹性效应,是制备新一代金属密封垫片的理想材料。采用有限元分析软件ABAQUS研究了安装工况对法兰密封连接接头密封性能的影响,并将计算结果和20#钢金属垫片作对比。结果表明:与仅考虑NiTi合金超弹性效应相比,考虑NiTi合金形状记忆效应,可使垫片接触应力提高17.4%;在介质内压、端部载荷作用下,NiTi合金垫片接触应力降低了5%,20#钢金属垫片降低了9%。说明NiTi合金作为密封垫片,在Ms温度下安装,Af温度以上使用的条件下,其密封性能要优于20#钢垫片,可有效的提高法兰螺栓连接接头的密封性能。

高强螺栓连接铝合金框架梁柱节点抗震性能试验研究及数值分析

为研究高强螺栓连接铝合金框架梁柱节点的抗震性能,设计了采用铝合金和不锈钢两种材料角型连接件的节点循环加载试验。结果表明,全铝合金角型件节点的延性发展严重不足,延性系数最大仅为2.25,破坏征兆不明显,在抗震结构中偏不安全。顶底不锈钢角型件节点最大塑性转角均在0.04rad以上,满足美国规范FEMA350不小于0.03rad的延性设计要求,表现出良好的塑性变形及耗能能力。对于顶底不锈钢角型件节点,梁腹板采用铝合金或不锈钢角型件对滞回全过程及各项性能指标无显著影响。采用有限元分析软件ABAQUS对节点抗震性能试验进行有限元模拟,有限元分析和试验结果吻合良好,可以很好地模拟节点的受力全程。

带不同顶底连接件高强螺栓连接铝合金梁柱节点抗震性能研究

为研究高强螺栓连接铝合金框架梁柱节点的抗震性能,对带双腹板角型连接件的顶底角型件连接节点(节点SL)、顶底T形件连接节点(节点ST)、顶底加肋角型件连接节点(节点SC)进行循环加载试验研究,分析节点的滞回特性、刚度退化、承载能力及耗能能力等。结果表明:三类节点变形性能良好,最大层间位移角均超过0.03 rad,满足美国规范FEMA 350的延性设计要求;节点SL和节点ST的延性系数均大于3.0,破坏形态为连接件发生断裂,二者在保证充分耗能后应按连接件的极限承载力进行设计;节点SC发生梁端净截面破坏前累积耗能良好;节点SL的初始刚度最小,节点ST和SC与节点SL相比,初始刚度分别提高了36.7%和77.4%。利用有限元软件对试验进行模拟分析,二者结果吻合较好,验证了有限元模型的准确性及可靠性。

碳纤维与铝合金螺栓连接拉伸失效仿真研究

通过有限元软件ABAQUS中Explicit模块建立碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与铝合金螺栓连接接头的有限元仿真三维模型,并进行了相对应的单钉单剪拉伸试验研究。结合试验和仿真结果,获得了螺栓连接接头在单轴拉伸载荷下的损伤失效模式。铝合金失效基于延展性(Ductile)金属失效准则,CFRP失效准则基于Hashin准则,可以表现复合材料在纤维拉伸压缩、基体拉伸压缩、法向分层拉伸压缩和纤维与基体剪切模式下的7种失效形式,复合材料起始失效后采用刚度折减规则实现刚度退化。结果表明,螺栓失效过程分为3个阶段,即线弹性阶段、CFRP损伤起始阶段、接头失效阶段。对比仿真和试验结果,以接头强度角度考虑,仿真结果与试验结果误差为6.3%,说明了有限元仿真模型的有效性。通过有限元仿真结果分析发现,在螺栓接头失效过程中,CFRP失效发生在基体拉伸和压缩模式以及法向分层压缩模式上,铝合金表现出了明显的延展性损伤形式。

重庆国际博览中心铝合金屋面设计

铝合金网壳结构已经在一些工程项目中得到应用,但类似于重庆国际博览中心项目的铝合金屋面框架、桁架结构体系仍应用较少。重庆国际博览中心项目铝合金屋面跨越下部多个钢结构单体,面积大、建筑外型复杂,通过受力分析提出了结构优化方案。通过合理设置结构缝和温度缝,将大型屋面分成多个独立区域,各区域采用框架或桁架结构形式,使得结构受力简单,并降低温度效应。介绍了铝框架及铝桁架采用的节点形式,为其他类似大型屋面项目提供参考。

钛合金螺栓连接复合材料海洋环境效应分析

为了研究钛合金螺接复合材料件的热带海洋环境腐蚀/老化效应,设计并制备钛合金螺栓连接复合材料模拟件,依托永兴岛大气试验站,开展钛合金螺栓连接复合材料模拟件海洋大气户外暴露试验,收集了2年的环境腐蚀/老化数据,主要包括宏微观形貌、成分变化及力学性能等。研究结果表明:①钛合金螺栓连接复合材料模拟件在户外暴露6个月后,螺栓和螺母表面涂层均发生明显腐蚀;暴露2年后,螺栓表面离子镀铝层脱落导致其严重变色,螺母表面MoS2涂层发生明显腐蚀,复合材料层合板表面出现明显老化,局部出现纤维剥落;②在力学性能方面,经自然环境暴露2年后,连接件承载能力无明显变化,断裂方式均为螺栓钉头弯曲破坏,连接件韧性出现明显下降,断裂时最大位移较初始状态相比下降约16%。

高强铝合金螺栓球节点轴向受力性能与初始刚度计算模型

为研究复合材料-铝合金空间结构中高强铝合金螺栓球节点的轴向受力性能和变形特征,开展了高强铝合金螺栓球节点的拉伸与压缩足尺模型试验。通过试验获得了节点轴向受力的力学响应、承载力及其破坏模式,建立了螺栓球节点轴向受力下轴对称平面有限元计算模型。模型关键点位的应变、变形数值计算结果与试验结果吻合较好。基于能量法原理,根据螺栓球节点的拉伸及压缩荷载作用下弹性应变能分布特点,将其划分成5个区域。通过几何参数相关性分析,拟合各区域弹性应变能算式,进而得到了节点整体初始刚度算式。利用初始刚度算式及平面有限元分析两种方法,对5个不同尺寸的螺栓球节点的初始轴向刚度进行计算,发现计算结果误差在10%以内,验证了初始刚度算式的正确性。

铝合金螺栓球节点螺纹轴向力分布研究

对承担拉力荷载的铝合金螺栓球节点螺纹轴向力的分布特性展开了研究.首先建立了精细化有限元模型,对所有可能影响螺纹轴向力分布的因素展开了参数化分析,发现球体材料与螺栓拧入深度是最主要的影响因素.继而根据模拟结果探究了节点在弹性阶段与破坏荷载下螺纹轴向力的分布特性.最终通过建立节点的简化力学模型进行理论推导,并结合模拟结果得到铝合金螺栓球节点螺纹轴向力分布的计算公式.