基于玻纤映射的螺栓连接损伤分析及承载性能研究

发布时间：2020-08-26 20:04

【摘要】：玻璃纤维增强复合材料在航空航天、医疗、汽车、机械装备和电子电器等行业得到越来越广泛地应用,得益于其质轻高强、易于成型、可设计性强、易于实现零件模块化生产的特点,越来越多的零部件采用玻纤增强复合材料替代传统金属材料。螺栓连接是复合材料连接中使用频率最高的连接方式,由于螺栓连接开孔引起应力集中,连接处往往是连接部件中最薄弱的环节。因此,进行玻纤增强复合材料螺栓连接损伤分析与承载性能研究对提高连接件整体结构性能具有重要意义。针对现在行业内对复合材料注塑件的结构分析鲜有考虑纤维取向的情况,本文提出了一种基于Multicontinuum(MTC)理论建立代表性体积单元(RVE)并将单元内的应力、应变分解到各组分材料中,通过组分材料的应力、应变变化预测复合材料的损伤及失效过程。基于此材料模型,将模流分析获得的基体、玻纤材料属性、纤维取向信息与材料的拉伸、压缩实验数据进行拟合,得到结构分析所需的基体、纤维弹塑性参数,最后将拟合结果映射到结构分析模型中,避免了建立完全的微观机械力场模拟模型,大大提高了分析的效率。基于上述理论分析,首先对PA6 GF30材料注塑样条进行力学性能测试,然后对样条进行纤维映射及拉伸实验仿真分析,将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明:基于材料分解、玻纤映射、材料参数拟合、损伤失效分析的联合仿真分析方法能有效解决注塑件模流分析与结构分析的延续性与准确性问题,同时提高了仿真分析的效率。最后,基于正交试验设计对螺栓连接失效模式与承载性能进行研究,考察端径比(E/D)、宽径比(W/D)、厚径比(T/D)、螺栓孔间隙、预紧力等对螺栓连接失效模式及承载性能的影响。基于正交试验设计结果,通过极差分析及显著性分析,结果表明:对连接性能影响大小依次为:宽径比、厚径比、端径比、预紧力、螺栓孔间隙。理想的连接参数为:宽径比4,端径比3,厚径比0.8,螺栓孔间隙越小对承载性能越有利,增大螺栓预紧力有助于提高连接承载力,但预紧力不应超过2000N。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH131.3
【图文】：

硕士学位论文图1.1 常见复合材料胶接连接方式示意图1.2.2 复合材料机械连接对于较厚的、需要满足可拆卸要求的连接件，应选择承受力较大的机械连接方式，机械连接由于其较高的可靠性、易拆卸性等优点，得到广泛地使用。与胶接相比，机械连接需要在复合材料上开孔通并过螺栓或铆钉等金属紧固件进行紧固，因此容易在孔周围出现应力集中和由于金属硬度较大而把复合材料连接板表面及内部结构压坏导致连接性能下降的情况。常见的复合材料机械连接主要连接方式有如下图1.2所示：图1.2 常见复合材料机械连接方式示意图1.2.3 复合材料混合连接当然，有时为了提高连接的可靠性、密封性，通常选择胶接与机械连接同时使用的混合连接。混合连接兼具胶接与机械连接的优点，实现两种连接方式之间的互补，可以缓解螺栓孔周围的应力集中，提高连接的强度。需要指出的是，复合材料混合连接中仅当螺栓连接强度大于胶接强度时螺栓连接才会起作用

因此容易在孔周围出现应力集中和由于金属硬度较大而把复合材料连接板表面及内部结构压坏导致连接性能下降的情况。常见的复合材料机械连接主要连接方式有如下图1.2所示：图1.2 常见复合材料机械连接方式示意图1.2.3 复合材料混合连接当然，有时为了提高连接的可靠性、密封性，通常选择胶接与机械连接同时使用的混合连接。混合连接兼具胶接与机械连接的优点，实现两种连接方式之间的互补，可以缓解螺栓孔周围的应力集中，提高连接的强度。需要指出的是，复合材料混合连接中仅当螺栓连接强度大于胶接强度时螺栓连接才会起作用，否则，螺栓连接在混合连接中无增强作用。1.2.4 复合材料连接特点在复合材料的连接设计中，采用哪种连接方式要视其具体使用条件与各连接3

如常见的手糊、注塑、模压、纤维缠绕、拉挤等。在航空航天、武器装备、汽车、海洋工业等方面聚合物基复合材料获得了日益广泛的应用。图2.1 聚合物基复合材料在汽车上的应用表2.1为常用结构材料基本参数对比，从表中可以看出：与传统钢铁材料相比，碳纤维复合材料的密度约为钢材的1/5，为铝合金的1/2，同时其比强度与比模量均远高于二者。表 2.1 常用结构材料基本参数材料弹性模量GPa抗拉强度MPa密度g·cm-3比刚度GPa/（g·cm-3）比强度MPa/（g·cm-3）钢 206 1200 7.8 26.0 153铝合金 72 420 2.7 26.0 151钛合金 117 1000 4.5 26.0 222SMC 10 100 1.9 5.3 53LFT 14 200 1.4 10.0 146玻纤（单向板）48 1245 2.0 24.0 623T300碳纤维（单向板）130 1760 1.6 81.0 110011

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本文编号：2805630