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CFRP连接孔几何误差对螺栓连接结构拉伸强度的影响规律研究

高学敏 石大鹏 许彦伟 殷银银 张钦莹

高学敏, 石大鹏, 许彦伟, 殷银银, 张钦莹. CFRP连接孔几何误差对螺栓连接结构拉伸强度的影响规律研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (11): 123-130. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.11.019
引用本文: 高学敏, 石大鹏, 许彦伟, 殷银银, 张钦莹. CFRP连接孔几何误差对螺栓连接结构拉伸强度的影响规律研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (11): 123-130. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.11.019
GAO Xuemin, SHI Dapeng, XU Yanwei, YIN Yinyin, ZHANG Qinying. Study on the effect of geometric errors of CFRP connection holes on the tensile strength of bolted structures[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (11): 123-130. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.11.019
Citation: GAO Xuemin, SHI Dapeng, XU Yanwei, YIN Yinyin, ZHANG Qinying. Study on the effect of geometric errors of CFRP connection holes on the tensile strength of bolted structures[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (11): 123-130. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.11.019

CFRP连接孔几何误差对螺栓连接结构拉伸强度的影响规律研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.11.019
详细信息
    作者简介:

    高学敏,男,1983年生,高级工程师,主要研究方向为航空航天领域机械制造。E-mail:gaoxuemin694@126.com

    通讯作者:

    高学敏,男,1983年生,高级工程师,主要研究方向为航空航天领域机械制造。E-mail:gaoxuemin694@126.com

  • 中图分类号: TH131.3, TP391.9

Study on the effect of geometric errors of CFRP connection holes on the tensile strength of bolted structures

  • 摘要: 针对CFRP沉头螺栓连接孔制孔几何误差对连接结构拉伸强度的影响规律开展了相关研究。为了更为准确预测连接结构的应力变化情况,首先基于准静态试验建立了TC4ELI钛合金的本构模型,并基于Hashin失效准则以及界面的双线性本构建立了复合材料模型,在此基础上形成了复合材料沉头螺栓连接结构的有限元模型,并针对3个主要的制孔误差对连接结构力学性能的影响进行了数值模拟以及实验验证。研究结果表明所建立的有限元模型能够较为准确地预测连接结构失效形式以及拉伸强度。其次,相较于沉头角度以及倒角半径误差,沉头深度几何误差对最终连接结构最大应力值的影响最为显著,同时锪窝孔尺寸上下偏差对连接结构拉伸性能的影响具有较为明显的差异性。

     

  • 图  1  TC4-ELI钛合金应力-应变曲线

    图  2  连接结构有限元模型及边界条件

    图  3  连接结构失效时螺栓头部应力分布及连接结构失效的宏观形貌

    图  4  CFRP螺栓连接结构准静态拉伸试验及仿真结果对比

    图  5  连接结构仿真模型应力分布云图

    图  6  不同参数下过渡圆角处复合材料层内应力云

    图  7  连接结构服役过程中螺栓的倾斜及复合材料的失效形式

    图  8  复合材料接触处损伤形式仿真及实验验证

    图  9  不同制孔几何误差因素对过渡圆角处最大应力值的影响

    图  10  不同沉头角度连接结构拉伸实验载荷位移曲线

    表  1  复合材料力学性能参数[15]

    参数名选取值参数名选取值
    $ {E_{{\text{11}}}}{\text{/GPa}} $133${G_{23} }/{\rm{GP}}{\text{a} }$3.99
    ${E}_{22}、{E}_{33}/{\rm{GP} }{{\rm{a}}}$8$ {\nu _{12}} $、$ {\nu _{13}} $0.25
    ${G_{12} }/{\rm{GP} }{\rm{a}}$5.32$ {\nu _{23}} $0.34
    ${G_{13} }/{\rm{GP}}{\text{a} }$5.32${S}_{12}、{S}_{13}、{S}_{23}/{\rm{MPa}}$81
    ${X_T}/{\rm{MPa}}$1 300${K}_{n}、{K}_{s}、{K}_{t}/({\rm{N} }\cdot {\rm{m} }{{\rm{m}}}^{-3})$106
    ${X_C}/{\rm{MPa}}$1 900${G_n}/({\rm{N}} \cdot {\rm{m}}{{\rm{m}}^{ - 1} })$0.33
    ${Y_T}/{\rm{MPa}}$41${G_s} = {G_t}/({\rm{N}} \cdot {\rm{m}}{{\rm{m}}^{ - 1} })$1.209
    ${Y_C}/{\rm{MPa}}$170$t_n^0/{\rm{MPa}}$60
    $t_s^0 = t_t^0/{\rm{MPa}}$110
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    表  2  制孔误差正交试验方案和实验结果

    组号沉头深度
    /mm
    沉头角度
    /(°)
    倒角半径
    /mm
    应力最大值
    /MPa
    11.1990.61 055
    21.11000.751 011
    31.11010.91 109
    41.0990.751 219
    51.01000.91 204
    61.01010.61 169
    70.9990.91 086
    80.91000.61 077
    90.91010.751 111
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    表  3  制孔误差正交试验极差分析

    水平沉头深度/mm沉头角度/(°)倒角半径/mm
    11 0861 1091 169
    21 0691 0111 219
    31 1041 0551 230
    极差1393233
    F0.0990.6780.683
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-25
  • 录用日期:  2022-08-11
  • 网络出版日期:  2022-10-28

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