层合板多钉连接载荷分配均匀化方法

　　引言

　　复合材料具有很高的比强度和比刚度,近年来,先进复合材料在高性能航空航天领域获得了越来越广泛的应用。复合材料多钉机械连接以其工艺简单、连接可靠、传递载荷大等特点,大量被工程结构采用。由于加工制造等方面的原因,孔的实际尺寸总是在其设计尺寸及其公差范围内服从统计规律。研究表明,钉孔的不同配合情况对多钉连接的载荷分配有一定影响的[1]。本文通过有限元计算,分析研究不同钉孔配合对各钉载荷分配的影响,采用在大载荷孔上施加间隙配合而在小载荷孔上施加干涉配合的方法均匀化各钉载荷分配,同时利用一套强度准则来判断层合板多钉连接时的各单层的破坏形式。

　　1　计算模型

　　考虑如图1所示双搭接结构,中间板为复合材料(T300/QY8911),铺层顺序为[45/0/-45/90]2S。性能参数如表1。搭接板材料为铝合金,弹性模量和泊松比分别为70Gpa和0. 33。由于结构有两个几何对称面,为计算简便,沿复合材料板中面取上半部分进行计算。复材板和铝板厚度均为2mm,板长为170mm,板宽为40mm,孔径为5mm,孔距为24mm,模型参考坐标系如图1所示

　　2　数值计算

　　本文利用Ansys软件计算多钉连接载荷分配,复合材料板和金属板都采用8节点实体单元,螺钉与孔的配合采用接触单元来模拟。孔边应力变化较快的区域有限元网格适当细一些,而周边的网格相对较粗,这样既保证结果的准确性又节省计算资源,有限元网格如图2所示。

　　模型的边界条件为固定复合材料板中面所有节点z向位移,固定铝板右端面x方向位移,固定两板对称面上所有节点的y方向位移,然后在复合材料板左端面施加100MPa的均布载荷,由于只取了一半进行建模,该载荷相当于在复合材料板端面施加了8KN的载荷。

　　选取金属板两钉中间横截面以及右端面节点,将x方向(参考坐标系如图1所示)应力沿板宽积分,就可以得到该截面传递的载荷,进而得出各钉的载荷分配。由于工程结构中的干涉量和间隙量一般都在1%孔径以内,孔公称尺寸为5mm,计算时选取3孔直径为分别4. 97mm、5. 00mm、5. 03mm的排列组合以及滑配合即3孔直径都为公称直径5mm,一共分为7种情况,本文分别计算在这7种情况下各钉的载荷分配。

　　3　结果分析及讨论

　　3. 1　载荷分配的计算

　　表2给出了7种不同的钉孔配合组合及对应的各钉载荷分配,其中负的干涉量表示在该孔采用的是间隙配合。从表中可以看出,不同的钉孔配合组合对载荷分配的影响较大。对Case 1钉孔配合模式,Ⅰ钉承载最大,达到了46. 13%,在Case 5情况中,该钉的承载降到了29. 85%。从表中还可以看出以下规律,即在孔上施加干涉配合,能提高该孔的承载量,相反,在孔上施加间隙配合,该孔的承载量也随之降低,这可以用来均化多钉连接载荷分配, Case 6钉孔配合组合正好说明这一点。