钛合金与复合材料壁板连接结构群钉载荷分配仿真与试验研究

发布时间：2017-11-01 19:27

  本文关键词：钛合金与复合材料壁板连接结构群钉载荷分配仿真与试验研究

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【摘要】：飞机结构在大量使用碳纤维复合材料时,有很多复材结构与金属结构的连接节点,这种碳纤维复合材料与金属混合结构不可避免出现。例如,民航客机结构在重要接头处,采用钛合金与碳纤维复合材料连接结构。大型客机都是由各个部件通过各种紧固件连接组装而成的。A380客机即使通过大量使用复合材料整体结构减少了紧固件的使用,但是其紧固件使用量也达到了百万数量的体量。在这些连接结构的设计中确定每个紧固件的承载值是必要的,但是通过试验来确定每个紧固件承载值暂时无法实现。因此采用有限元方法,并通过恰当简化连接件模型,对连接件的每个紧固件进行钉载分配仿真分析是一种可行的方法。针对复杂群钉连接结构的仿真分析既要兼顾钉载结果的精度也要考虑连接模型在仿真中易操作性。为得到复杂连接结构群钉载荷分配结果,本文进行了以下研究内容:首先针对复合材料与铝合金的四螺栓单搭接试验结果,使用Patran软件进行仿真,采用壳单元模拟被连接板。并采用螺栓单元、点焊单元、梁单元、刚性连接单元四种连接模型,进行静力分析。并将四种连接单元的仿真结果中的钉载分配,应力集中情况与试验结果对比,得到精度高且易用的点焊单元。其次针对四种连接简化模型的被连接复合材料板进行失效分析,并定位最早失效层数。并与试验结果对比,得到点焊模型与螺栓模型的失效结果与试验破坏载荷误差较小。而梁单元与刚性连接单元失效结果与试验破坏结果差别很大。因此得到点焊单元与螺栓单元在连接仿真中更适用。而后进行了钛合金与复合材料壁板的连接结构的单向拉伸强度试验,通过测量结构件表面的应变值,得到结构的传载路径。为仿真分析群钉结构的钉载分配结果提供试验参考。最后,采用MSC.Apex、MSC.Patran、MSC.Nastran软件完成了钛合金与复合材料壁板连接结构群钉载荷分配仿真。仿真采用一个点焊单元模拟了单剪螺栓连接和两个点焊单元模拟双剪螺栓连接。总共使用333个点焊单元,得到每个单元的承载值,定位了危险螺栓的位置。并与试验对比,确定了危险螺栓位置与试验结果一致。本文的仿真方法可为复杂连接结构件设计提供仿真验证。
【关键词】：钛合金与复合材料壁板连接结构 钉载分配 点焊连接单元 螺栓仿真模型 应力集中
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V214
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 第2章 复合材料与钛合金机械连接相关理论15-28
• 2.1 引言15
• 2.2 相关复合材料结构力学基础15-18
• 2.2.1 各向异性弹性体的应力-应变关系15-16
• 2.2.2 正交各向异性单层材料的强度理论16-18
• 2.3 钉载分配刚度分析方法18-23
• 2.4 复合材料机械连接静强度预测方法23-27
• 2.4.1 复合材料被连接件破坏准则23-24
• 2.4.2 复合材料应力集中系数定义24-25
• 2.4.3 强度包线25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 连接单元仿真模型对比研究28-51
• 3.1 引言28
• 3.2 试验模型和仿真模型28-31
• 3.2.1 试验结果28-30
• 3.2.2 仿真模型30-31
• 3.3 四种连接模型的仿真对比分析31-45
• 3.3.1 Spot-Weld连接单元仿真分析32-36
• 3.3.2 Fastener连接单元仿真分析36-39
• 3.3.3 RBE2刚性连接单元仿真分析39-42
• 3.3.4 Bar连接单元仿真分析42-45
• 3.4 不同连接单元对复合材失效分析的影响45-50
• 3.4.1 连接单元为Spot-Weld的层合板失效分析46-47
• 3.4.2 连接单元为Fastener的层合板失效分析47-48
• 3.4.3 连接单元为RBE2的层合板失效分析48-49
• 3.4.4 连接单元为BAR的层合板失效分析49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 复合材料与钛合金多钉连接件强度试验与钉载分配仿真研究51-69
• 4.1 引言51
• 4.2 试验方案51-54
• 4.2.1 试验模型介绍51-52
• 4.2.2 试验设备及试验件承载状态52-53
• 4.2.3 试验件应变测点分布53-54
• 4.3 接头结构件极限载荷承载状态仿真分析54-63
• 4.3.1 结构在MSC.Apex、MSC.Patran中的前处理55-56
• 4.3.2 仿真计算结果56-63
• 4.4 试验加载与试验结果分析63-67
• 4.4.1 试验载荷施加63-64
• 4.4.2 应变结果分析64-67
• 4.5 本章小结67-69
• 结论69-70
• 参考文献70-76
• 致谢76

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本文编号：1128201