VLF?RRIM復(fù)合材料多螺栓連接承載分布研究

曹春平，王國杰，孫 宇，朱慶鵬

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094）

VLF?RRIM復(fù)合材料多螺栓連接承載分布研究

曹春平，王國杰，孫 宇，朱慶鵬

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094）

摘 要：為提高VLF?RRIM增強(qiáng)PU基復(fù)合材料多螺栓連接時(shí)承載分配比例的均勻性，在綜合考慮接觸狀態(tài)非線性和累計(jì)損傷過程非線性的影響情況下，運(yùn)用ABAQUS建立了可變長纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料制件在多螺栓3行3列單搭接狀態(tài)的三維有限元仿真模型，并采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析了復(fù)合材料連接板的開孔位置尺寸（包括邊距、行距、列距、端距等）對(duì)承載分配比例的影響.結(jié)果表明：該模型可有效模擬大范圍損傷發(fā)生之前的承載特性；連接模型承載時(shí)，螺栓孔離邊界越近，所受的載荷就越大，即外部螺栓孔受力大于內(nèi)部的螺栓孔受力；大的列距、小的行距對(duì)載荷分配有明顯改善作用；當(dāng)邊距Sw＝3.5D、行距P＝4D、列距S＝5D、端距E＝5D時(shí)，各螺栓孔承載分配比例最為均勻.關(guān)鍵詞：VFI?RRIM；聚氨酯復(fù)合材料；多螺栓連接；承載分配；開孔尺寸

可變長玻纖增強(qiáng)反應(yīng)注射成型（variable long fiber reinforced reaction injection molding，簡稱VLF?RRIM）是一種旨在提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率而研發(fā)的新型復(fù)合材料成型技術(shù)，該技術(shù)自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)周期短、能耗低、成型壓力小、加工方便、可生產(chǎn)薄而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品［1］.目前，VFI?RRIM技術(shù)增強(qiáng)PU基復(fù)合材料在船舶、汽車、航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛.由于VFI?RRIM增強(qiáng)PU基復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度的各向異性和不均勻性，在承受外界載荷時(shí)連接區(qū)域應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，特別是對(duì)于多螺栓連接，各個(gè)螺栓孔的承載分配比例很不均勻，導(dǎo)致了連接性能不能最大程度地發(fā)揮［2－3］.建立VLF?RRIM增強(qiáng)PU基復(fù)合材料的仿真模型，研究如何均勻各螺栓承載比例、提高連接效率，成為當(dāng)前VLF?RRIM增強(qiáng)PU基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要方向之一.

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)復(fù)合材料螺栓連接問題采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明LFI?RRIM增強(qiáng)PU基復(fù)合材料螺栓連接承載分配比例受眾多因素影響，但主要與被連接構(gòu)件的相對(duì)剛度、緊固件材料和開孔位置尺寸參數(shù)有關(guān)［4－7］.張爽等［8］和朱元林等［9］針對(duì)單搭多螺栓連接復(fù)合層板釘載分配和連接強(qiáng)度進(jìn)行了分析.Gray等［10－11］對(duì)多螺栓鏈接的復(fù)合材料的載荷分布情況進(jìn)行了有限元分析.Ekh等［12－13］和Heimbs等［14］的研究表明，多螺栓單搭連接的接觸關(guān)系較雙搭連接更為復(fù)雜，偏心載荷引起的離面位移和二次彎矩導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)縱向剛度降低，金屬板的變形對(duì)于釘載分配影響較大.

本文對(duì)VLF?RRIM增強(qiáng)PU基復(fù)合材料與金屬件單搭3行3列多螺栓連接性能和承載特性進(jìn)行研究.綜合考慮累積損傷過程非線性和接觸狀態(tài)非線性對(duì)多螺栓聯(lián)接承載特性的影響，建立了單搭多螺栓連接的ABAQUS三維有限元仿真模型，從VLF?RRIM PU基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)角度出發(fā)，以開孔位置尺寸參數(shù)［4］（包括邊寬、行距、列距、端距、板厚、孔徑等）為研究對(duì)象，對(duì)多螺栓連接結(jié)構(gòu)的承載特性進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)研究.

1　試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)原材料如下：長玻纖增強(qiáng)聚氨酯反應(yīng)注射成型復(fù)合材料，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，纖維長度25 mm；鋁合金，型號(hào)6061；鉸制螺栓及螺母墊片，45號(hào)鋼；應(yīng)變片BX120－3BA，靈敏度2.08.各個(gè)材料的基本性能參數(shù)見表1.

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如下：VLF?RRIM成套加工設(shè)備，LFI?RIM?Star 16／40型，德國Krauss?Maffei公司生產(chǎn)；萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)，CSS－44100型，長春試驗(yàn)機(jī)研究所研制，試驗(yàn)機(jī)加載誤差小于5‰；YE2583A型程控靜態(tài)應(yīng)變儀.

表1　材料力學(xué)性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

VLF?RRIM PU基復(fù)合材料與鋁合金板的多螺栓連接結(jié)構(gòu)的承載特性試驗(yàn)中各螺栓分布如圖1所示.

螺栓孔呈3行3列均勻分布，同時(shí)對(duì)各個(gè)螺栓位置進(jìn)行了編號(hào).

圖1　多螺栓連接原理示意圖

連接孔開孔位置尺寸為孔徑D＝6 mm、端距E＝30 mm、邊寬Sw＝21 mm、行距P＝30 mm、列距S＝30 mm，預(yù)緊力為25 MPa.在試驗(yàn)中通過連續(xù)加載以獲得連續(xù)的載荷－位移曲線，用以確定各個(gè)螺栓擠壓強(qiáng)度.

試驗(yàn)中應(yīng)變與載荷之間的關(guān)系為

各列螺栓承受載荷情況為

式中：σ為復(fù)合材料擠壓強(qiáng)度，單位MPa；Pi，j為各個(gè)螺栓孔擠壓損傷載荷，單位N；εi，j為螺栓孔承載式的應(yīng)變；P為擠壓損傷載荷，單位N；λi為各列螺栓孔承受載荷比例（i＝1、2、3）.

1.3 連接試驗(yàn)與結(jié)果

多螺栓連接性能測試試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 7559—2005［纖維增強(qiáng)塑料層合板螺栓連接擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法］的規(guī)定進(jìn)行，試樣從VLF?RRIM PU基復(fù)合材料成型件上截取.

鑒于復(fù)合材料性能分散度大，試驗(yàn)因素測試6次，通過數(shù)理分析計(jì)算求其準(zhǔn)確值.試驗(yàn)環(huán)境參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB1446—2005［纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則］，在CSS－44100型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，加載速度0.5 mm／min，加載位移4.5 mm.試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2　各螺栓孔擠壓強(qiáng)度分配　MPa

試驗(yàn)結(jié)果表明：連接模型承載時(shí)，沿受載方向，每行螺栓組的3個(gè)螺栓孔的承載比例基本相同，承載比例均超過32%；每列螺栓組的3個(gè)螺栓孔承載差異很大；螺栓孔離邊界越近，所承受的載荷就越大，即外部螺栓孔受力大于內(nèi)部的螺栓孔受力.

2　有限元仿真

2.1 有限元模型

采用ABAQUS建立仿真模型，各試驗(yàn)材料的屬性參照表1進(jìn)行選擇，然后定義材料單元屬性.其中，復(fù)合材料板采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元（C3D8I），螺栓采用三維實(shí)體單元（C3D8R），鋁合金連接件采用C3D8I單元.復(fù)合材料損傷失效準(zhǔn)則采用混合失效準(zhǔn)則［15］，參照長玻纖增強(qiáng)聚氨酯材料特性由USDFLD子程序來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示.復(fù)合材料多螺栓連接仿真流程如圖3所示，施加位移載荷時(shí)包括2種載荷：螺栓預(yù)緊力和橫向拉伸載荷.

圖2　損傷分析流程圖

分析可以分為4個(gè)分析步：第1個(gè)分析步對(duì)每個(gè)螺栓施加0.5 MPa的較小螺栓預(yù)緊力載荷；第2個(gè)分析步將螺栓預(yù)緊載荷的載荷值調(diào)節(jié)到25 MPa，螺栓載荷類型為指定預(yù)緊力；在第3個(gè)分析步中將螺栓載荷的類型修改為保持螺栓當(dāng)前的長度；在第4個(gè)分析步中，定義施加橫向拉伸載荷到復(fù)合材料端部，載荷類型為位移面載荷，大小4.5 mm，位移載荷速度定義為0.5 mm／min.有限元模型如圖4所示.

圖3　螺栓機(jī)械連接仿真流程圖

圖4　仿真應(yīng)力云圖

2.2 模型驗(yàn)證

螺栓孔受擠壓時(shí)承載的最大應(yīng)力值即為有限元方法計(jì)算出的應(yīng)力值，具體數(shù)值見表3.對(duì)比表3和表2承載分配結(jié)果，可見各個(gè)螺栓的承載誤差均在5%以內(nèi)，證明本文建立的有限元程序可較為準(zhǔn)確地模擬復(fù)合材料多螺栓單搭連接的承載特性.由此可見，應(yīng)用本文的有限元模型進(jìn)行LFI?RRIM PU復(fù)合材料多螺栓連接仿真分析能很好地模擬真實(shí)情況，從而驗(yàn)證了有限元模型的精確性，為后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ).

表3　有限元仿真結(jié)果

2.3 承載分配確定

由試驗(yàn)及仿真結(jié)果可知：沿受載方向，每行螺栓組的3個(gè)螺栓孔承載基本相同，承載比例均超過32%；每列螺栓組的3個(gè)螺栓孔承載差異很大.鑒于以上原因，在本次研究中只對(duì)螺栓連接中的多列連接承載分配進(jìn)行研究，以每一列的3個(gè)螺栓作為一個(gè)單元，將連接模型轉(zhuǎn)化為單列3行連接形式，對(duì)LFI?RRIM PU復(fù)合材料多螺栓連接承載分配性能進(jìn)行單因素分析.

3　影響因素分析

3.1 行距對(duì)承載分配的影響

各行螺栓孔的承載比例與行距關(guān)系如圖5所示，行距P在2D～6D變化.由圖5可以看出：各行螺栓的承載比例不同，第1行螺栓孔承載最大，第3行螺栓孔承載次之，第2行螺栓孔承載比例最小；隨著行距的不斷增加，承載比例先趨于均勻，然后又發(fā)散.第1行螺栓承載比例先減小后增加；第2行螺栓承載先增加后減小，變化幅度較大；第3行螺栓承載基本不變.當(dāng)行距P為4D時(shí)，第1行螺栓承載比例比采用6D行距時(shí)降低了10.04%，可見行距對(duì)載荷分配影響有顯著影響.小行距螺栓分布有益于載荷的均勻分配，鑒于以上原因，行距P在3D～4D時(shí)，承載均勻性較好.

圖5　各行螺栓孔載比例隨行距變化

3.2 列距對(duì)承載分配的影響

各行螺栓孔承載比例與列距關(guān)系如圖6所示，列距S在3D～7D變化.由圖6可以看出：當(dāng)邊距小于3D時(shí)，第2行螺栓孔分擔(dān)載荷低于24%；隨著列距的增加，承載模型中第2行螺栓承載比例稍微提高，第1行螺栓與第3行螺栓的承載比例逐漸接近.各行的承載比例趨于均勻化，可見大的螺栓孔列距有助于各行螺栓的承載均勻分配；當(dāng)列距S大于5D后，各螺栓孔的承載比例基本趨于穩(wěn)定，承載均勻性較好.

圖6　各行螺栓孔承載比例隨列距的變化

3.3 邊距對(duì)承載分配的影響

各行螺栓孔承載比例與邊距關(guān)系如圖7所示，邊距在2D～4D變化.由圖7可看出：各行螺栓的承載比例不同，但是承載比例都超過25%；第1行螺栓孔承載最大，第3行螺栓孔承載次之，第2行螺栓孔承載比例最??；隨著邊距的不斷變化，承載比例逐漸均勻，邊距超過3D后，承載比例變化不再明顯，當(dāng)邊距超過3.5D后承載比例基本穩(wěn)定，不再發(fā)生變化，因此，邊距大約3.5D時(shí)承載均勻性較好.

圖7　各行螺栓孔承載比例隨邊距變化圖

3.4 端距對(duì)承載分配的影響

各行螺栓孔承載比例與端距關(guān)系如圖8所示，端距E在3D～6D變化.由圖8可以看出：各行螺栓的承載比例不同，當(dāng)端距在3D附近時(shí)，第2行螺栓承載比例低于25%，這是由于端距較小，造成第3行螺栓孔的剪切失效造成的；端距超過3D后，各行螺栓孔承載比例趨于均勻；當(dāng)端距超過5D后，承載比例基本穩(wěn)定，不再發(fā)生變化，承載均勻性較好.

圖8　各行螺栓孔承載比例隨端距變化圖

綜上可見，當(dāng)邊距Sw＝3.5D、行距P＝4D、列距S＝5D、端距E＝5D時(shí)，多螺栓等效連接強(qiáng)度最大.

4　結(jié)論

1）連接模型承載時(shí)，螺栓孔離邊界越近，所受的載荷就越大，即外部螺栓孔受力大于內(nèi)部的螺栓孔受力.

2）大列距，小行距對(duì)載荷分配有明顯改善作用；當(dāng)邊距Sw＝3.5D、行距P＝4D、列距S＝5D、端距E＝5D、各螺栓孔承載比例最均勻，多螺栓等效連接強(qiáng)度最大，連接效率最高，對(duì)VLF?RRIM成型聚氨酯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的理論支持.

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（編輯 程利冬）

Research on the load distribution of multiple bolted connection between VFI?RRIM composites and alloy plate

CAO Chunping，WANG Guojie，SUN Yu，ZHU Qingpeng

（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science＆Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract：To improve the uniformity of the load distribution of multiple bolted connection between the VFI?RRIM composites and alloy plate，a three?dimensional finite element model was established by the ABAQUS to analyze the properties of bolt connection by considering the progressive damage process and non?linear contact behavior at each bolt?hole interface.It showed that the model could predict the bearing behavior before large area damage.The impact of size parameters on the pin?load distribution was analyzed by combining finite element analysis with experimental methods.The result showed that the force on the external bolt hole was greater than that on the inside bolt holes.Furthermore，big column distance，little line distance could effectively improve pin?load distribution.From the results，we can conclude that the pin?load distribution was the most uniform when Sw＝3.5D，P＝4D，S＝5D，E＝5D.

Keywords：VFI?RRIM；PU composite；multiple bolted joints；pin load distribution；size parameters

通信作者：曹春平，E－mail：ccp＿alice＠163.com.

作者簡介：曹春平（1976—），女，博士，副教授.

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2011705）；江蘇省中青年骨干教師境外研修計(jì)劃.

收稿日期：2013－11－07.

doi：10.11951／j.issn.1005－0299.20150214

中圖分類號(hào)：TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005－0299（2015）02－0081－05