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CN114912325B - 一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法 - Google Patents

一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法 Download PDF

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CN114912325B CN202210565992.7A CN202210565992A CN114912325B CN 114912325 B CN114912325 B CN 114912325B CN 202210565992 A CN202210565992 A CN 202210565992A CN 114912325 B CN114912325 B CN 114912325B
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Abstract

本发明公开了一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，包括S1、确定待分析复合材料螺栓连接结构的参数；S2、构建复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，得到复合材料螺栓连接结构的有限元分析结果；S3、调整嵌件几何参数，构建复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，并计算得到不同预压缩量设计工况下的复合材料螺栓连接结构的多个相关参数；S4、对比步骤S3中在不同预压缩量和不同拉伸载荷工况下的多个相关参数，确定复合材料螺栓连接结构的最优预压缩量。本发明适用于复合材料螺栓连接预压缩量的设计，可为工程中复合材料螺栓连接结构的设计和分析节省大量的时间和经济成本，提高螺栓连接结构的稳定性和合理性。

Description

一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法
技术领域
本发明属于复合材料螺栓智能设计的技术领域，具体涉及一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有比强度和比刚度高、耐腐蚀以及性能设计性良好等优势，但与其他可焊接金属相比最大的不同在于，复合材料无法使用焊接方式实现材料之间的连接，只能采用铰接或螺栓连接装配方式。螺栓连接结构广泛应用于航空航天、交通运输、土木工程、机械工程等领域，是最为常见的紧固方法之一。正常螺栓预紧力加载的情况下，螺栓连接能有效完成被连接结构的力的传递，通过预先拧紧螺栓可以达到对连接结构施加螺栓预紧力的目的。
当预压缩量较小甚至为零时，此时主要起到系统连接作用的是金属板和嵌件，属于硬连接结构，此时螺栓连接结构未使被联接件分离的情况下，作用在被联接件上的系统拉伸载荷和螺栓轴向预紧力之间的关系如图2所示。
在预压缩量较大时，螺栓预紧力无法抵消初始的预压缩量，此时主要起到系统连接作用的是金属板和复合材料，属于软连接结构，螺栓在外部载荷的作用下应力幅较大，这将给螺栓疲劳强度带来负面影响，缩短其疲劳寿命。
在实际复合材料螺栓连接结构的装配过程中，金属和复合材料的软连接会导致螺栓连接结构松动、对复合材料表面造成损伤，螺栓在外部载荷的作用下应力幅较大，易造成螺栓的疲劳断裂；而金属与金属的硬连接结构会导致复合材料表面受力较小，无法达到螺栓连接装配的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，以解决现有复合材料螺栓连接结构的复合材料与金属直接接触软连接导致螺栓连接结构在外部载荷下易疲劳断裂的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，其包括以下步骤：
S1、确定待分析复合材料螺栓连接结构的参数；
S2、构建复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，并进行有限元模拟计算，得到复合材料螺栓连接结构的有限元分析结果；
S3、基于应力分析有限元模型，调整嵌件几何参数，构建复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，并计算得到不同预压缩量设计工况下的复合材料螺栓连接结构的多个相关参数；
S4、对比步骤S3中在不同预压缩量和不同拉伸载荷工况下的多个相关参数，确定复合材料螺栓连接结构的最优预压缩量。
作为本方法的进一步方案，步骤S1中待分析复合材料螺栓连接结构参数，具体包括：
复合材料的材料属性、螺栓螺母、连接金属板、连接嵌件的材料属性和几何参数；
几何参数包括复合材料层合板宽径比、端径比、厚度、连接金属板的厚度、嵌件的预压缩量的长度、金属板上的直孔直径和螺栓螺母的直径。
作为本方法的进一步方案，步骤S2具体包括：
S2.1、基于待分析复合材料螺栓连接结构参数，构建复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，得到复合材料螺栓连接结构中螺栓内部轴向力Fb的变化曲线和轴向力受力横截面积As；
S2.2、根据螺栓内部轴向力Fb的变化曲线和轴向力受力横截面积As，计算螺栓的载荷波动φW、被联接件上拉伸载荷波动W、螺栓的平均应力σm和螺栓的应力幅σα；
S2.3、记录、对比无预压缩量设计下的螺栓应力幅σα和螺栓疲劳极限σw，当螺栓平均应力为σm时，若螺栓应力幅σα超过螺栓疲劳极限σw时，则螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处。
作为本方法的进一步方案，计算螺栓平均应力σm和螺栓应力幅σα：
Figure BDA0003657722570000031
Figure BDA0003657722570000032
其中，F0为螺栓轴向预紧力。
作为本方法的进一步方案，步骤S3具体包括：
S3.1、基于应力分析有限元模型，调整嵌件的几何参数，构建与待分析结构参数相同的复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型；
S3.2、基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，调整嵌件的几何参数，以实现对不同预压缩量结构设计的目的；
S3.3、基于复合材料螺栓连接预压缩量设计模型，分析不同预压缩量设计工况下的复合材料螺栓连接结构，并计算得到螺栓内部轴向力Fb和轴向力受力横截面积As。
作为本方法的进一步方案，步骤S3.1中待分析结构参数包括：
复合材料的材料属性、螺栓螺母、连接金属板、连接嵌件的材料属性以及几何参数，几何参数包括复合材料层合板宽径比、端径比、厚度、连接金属板的厚度、嵌件的预压缩量的长度、金属板上的直孔直径以及螺栓螺母的直径。
作为本方法的进一步方案，步骤S4具体包括：
S4.1、将步骤S3.3得到的不同预压缩量下的螺栓内部轴向力Fb和加载时间t结果作为数据点绘制在以螺栓内部轴向力Fb为纵轴、以加载时间t为横轴的坐标图中，得到不同预压缩量下的螺栓轴向力随外部拉伸载荷加载的时间-轴向力曲线；
S4.2、记录并对比不同预压缩量设计下的螺栓应力幅σα和螺栓疲劳极限σw，当螺栓平均应力为σm时，若螺栓应力幅σα超过螺栓疲劳极限σw，螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处，以得到该外部载荷下的最优预压缩量；
S4.3、基于最优预压缩量，控制载荷变量，基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，对比不同预压缩量工况下的螺栓应力幅σα的大小，以验证最优预压缩量设计的可行性。
本发明提供的基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，具有以下有益效果：
1、本发明适用于复合材料螺栓连接预压缩量的设计，打破了传统复合材料螺栓装配预紧力不足或过大的局限性，克服了现有复合材料螺栓连接结构的复合材料与金属直接接触软连接导致螺栓连接结构在外部载荷下易疲劳断裂的工程技术问题，采用ABAQUS软件通过调整复合材料螺栓连接结构中嵌件几何参数，设计不同的预压缩量进行模拟分析，为复合材料螺栓连接结构设计与分析节省了大量时间和试验成本，提高螺栓连接结构的稳定性和合理性。
2、与传统的复合材料螺栓连接结构模型相比，本发明创造性的提出了预压缩量的概念，并用理论证明了预压缩量的设计对于复合材料螺栓连接结构的积极影响，即增强复合材料螺栓连接结构的稳定性，减小螺栓应力幅值，降低螺栓疲劳断裂的风险，为工程的实际复合材料螺栓连接问题带来了便利。
3、本发明设计通过调整嵌件的几何参数来达到调整系统连接的预压缩量的设计方法，避免了计算应力集中缩减系数等环节，也不需要使用经验公式，因此更加结合工程实际，减小了螺栓的应力幅值和提高了结构强度。
附图说明
图1为本发明复合材料螺栓连接预压缩量设计模型。
图2为现有技术螺栓连接系统中，系统拉伸载荷与螺栓预紧力的关系。
其中，1、螺栓；2、金属板材；3、复合材料；4、嵌件。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1，参考图1，本方案的基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定待分析复合材料螺栓连接结构的参数，其参数具体包括：
复合材料的材料属性、螺栓螺母、连接金属板、连接嵌件4的材料属性和几何参数；
其中，几何参数包括复合材料层合板宽径比、端径比、厚度、连接金属板的厚度、嵌件4的预压缩量的长度、金属板上的直孔直径和螺栓螺母的直径。
步骤S2、构建复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，并进行有限元模拟计算，得到复合材料螺栓连接结构的有限元分析结果，其具体包括：
步骤S2.1、基于待分析复合材料螺栓连接结构参数，构建复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，得到复合材料螺栓连接结构中螺栓内部轴向力Fb的变化曲线和轴向力受力横截面积As；
步骤S2.2、根据螺栓内部轴向力Fb的变化曲线和轴向力受力横截面积As，计算螺栓的载荷波动φW、被联接件上拉伸载荷波动W、螺栓的平均应力σm和螺栓的应力幅σα；
步骤S2.3、记录、对比无预压缩量设计下的螺栓应力幅σα和螺栓疲劳极限σw，当螺栓平均应力为σm时，若螺栓应力幅σα超过螺栓疲劳极限σw时，则螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处。
其中，螺栓平均应力σm和螺栓应力幅σα为：
Figure BDA0003657722570000061
Figure BDA0003657722570000062
步骤S3、基于应力分析有限元模型，调整嵌件4几何参数，构建复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，并计算得到不同预压缩量设计工况下的复合材料螺栓连接结构的多个相关参数，其具体包括：
步骤S3.1、基于应力分析有限元模型，调整嵌件4的几何参数，构建与待分析结构参数相同的复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，以实现不同预压缩量工况下的复合材料螺栓连接结构的应力分析。
待分析结构参数包括复合材料的材料属性、螺栓螺母、连接金属板、连接嵌件4的材料属性和几何参数。
几何参数包括复合材料层合板宽径比、端径比、厚度、连接金属板的厚度、嵌件4的预压缩量的长度、金属板上的直孔直径以及螺栓螺母的直径。
步骤S3.2、基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，调整嵌件4的几何参数，以实现对不同预压缩量结构设计的目的；
步骤S3.3、基于复合材料螺栓连接预压缩量设计模型，分析不同预压缩量设计工况下的复合材料螺栓连接结构，并计算得到螺栓内部轴向力Fb和轴向力受力横截面积As。
步骤S4、对比步骤S3中在不同预压缩量和不同拉伸载荷工况下的多个相关参数，确定复合材料螺栓连接结构的最优预压缩量，其具体包括：
步骤S4.1、将步骤S3.3得到的不同预压缩量下的螺栓内部轴向力Fb和加载时间t结果作为数据点绘制在以螺栓内部轴向力Fb为纵轴、以加载时间t为横轴的坐标图中，得到不同预压缩量下的螺栓轴向力随外部拉伸载荷加载的时间-轴向力曲线；
步骤S4.2、记录并对比不同预压缩量设计下的螺栓应力幅σα和螺栓疲劳极限σw，当螺栓平均应力为σm时，若螺栓应力幅σα超过螺栓疲劳极限σw，螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处，以得到该外部载荷下的最优预压缩量；
步骤S4.3、基于最优预压缩量，控制载荷变量，基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，对比不同预压缩量工况下的螺栓应力幅σα的大小，以验证最优预压缩量设计的可行性。
实施例2，本实施例基于实施例1并给出具体案例，其具体包括：
步骤S1、确定所建立复合材料螺栓连接结构参数，其具体流程如下：
如图2所示，为复合材料螺栓连接结构，复合材料层合板为碳纤维T700复合材料，为简化计算，未考虑复合材料3的铺层顺序。
E1 E2 E3 G12 G13 G23 V12 V13 V23
230GPa 15GPa 15GPa 24GPa 24GPa 5.03GPa 0.2 0.2 0.25
碳纤维T700复合材料弹性参数
螺栓1选取为m16螺栓，金属板材2的板宽A＝70mm，板长B＝206mm，厚度C＝20mm，孔径D＝16mm，复合材料层合板板宽W1＝70mm，板长W2＝80mm，厚度T＝20mm，螺栓预紧力设置70kN，整体结构承受沿3方向的拉伸载荷20kN，初始预压缩量设计为0mm。金属板材2、金属嵌件4、螺栓螺母材质为Q345钢，屈服强度＞345MPA，抗拉强度为490MPa-675MPa。
步骤S2、对所建立的复合材料螺栓连接结构施加螺栓预紧力并进行拉伸载荷应力分析，其具体流程如下：
步骤S2.1、使用有限元软件ABAQUS建立复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，模型的所有参数与步骤1一致，其中仅考虑各部分的接触关系，但不考虑损伤。
复合材料层合板划分网格，所有单元类型均为C3D8；各部件间添加有限滑移接触约束，法向接触属性为“硬接触”，切向接触属性为摩擦系数0.3的库伦摩擦。金属板两端施加固定约束，复合材料层合板两端施加3方向上的拉伸载荷。在开始加载前，在Q345钢螺栓上施加70kN的预紧力。为了减少接触数量，将螺栓螺母绑定建立成一个整体部件。
对模型金属板施加固定约束，对模型复合材料两端加载20kN的3方向的拉伸载荷，由于应力分析模型只涉及到线弹性的变形计算，计算时间成本低，收敛性好。
步骤S2.2、通过读取螺栓中部截面的轴向力得到在无预压缩量设计的工况下，螺栓内部轴向力Fb，得到复合材料螺栓连接结构中螺栓内部轴向力Fb-t变化曲线和轴向力受力横截面积As；
步骤S2.3、计算螺栓的载荷波动φW、被联接件上拉伸载荷波动W、螺栓的平均应力σm、螺栓的应力幅σα。
计算求出无预压缩量下螺栓的平均应力σm和应力幅σα；
作用在螺栓螺纹上的应力条件(平均应力、应力幅)：
Figure BDA0003657722570000081
Figure BDA0003657722570000092
表一70kN无预压缩量拉伸载荷下结构的应力变化
Figure BDA0003657722570000091
由表一的结果发现，在无预压缩量的情况下，螺栓的应力幅为131.16MPa。
步骤S3、基于步骤2中复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，通过调整嵌件4的长度，来改变复合材料螺栓连接结构的预压缩量进行分析，其具体流程如下：
步骤S3.1、使用有限元软件ABAQUS建立如图1所示的复合材料螺栓连接结构预压缩量设计模型。复合材料层合板划分网格，所有单元类型均为C3D8，各部件间添加有限滑移接触约束，法向接触属性为“硬接触”，切向接触属性为摩擦系数0.3的库伦摩擦；金属板两端施加固定约束，复合材料层合板两端施加3方向上的拉伸载荷。
在开始加载前，在Q345钢螺栓上施加70kN的预紧力，调整嵌件4几何参数，为嵌件4和复合材料依次施加0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm预压缩量。为了减少接触数量，将螺栓螺母绑定建立成一个整体部件。
步骤S3.2、基于复合材料螺栓连接预压缩量设计模型，计算0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm预压缩量设计工况下的，复合材料螺栓连接结构的应力分析，得到螺栓内部轴向力Fb、轴向力受力横截面积As；
步骤S3.3、基于步骤2.3中的公式，计算不同预压缩量复合材料螺栓连接结构的螺栓的载荷波动φW、被联接件上拉伸载荷波动W、螺栓的平均应力σm、螺栓的应力幅σα，如下表所示：
表二70kN不同预压缩量情况下结构的应力参数
Figure BDA0003657722570000101
步骤S4、基于不同预压缩量工况设计下，确定复合材料螺栓连接结构的最优预压缩量，其具体包括：
步骤S4.1、将步骤S3.3得到的不同预压缩量下的螺栓内部轴向力Fb和加载时间t结果作为数据点绘制在以螺栓内部轴向力Fb为纵轴、以加载时间t为横轴的坐标图中，得到不同预压缩量下的螺栓轴向力随外部拉伸载荷加载的时间-轴向力曲线；
步骤S4.2、记录并对比表二中不同预压缩量设计下的螺栓应力幅σα和螺栓疲劳极限σw，当螺栓平均应力为σm时，根据螺纹断裂的基本理论，若螺栓应力幅σα超过螺栓疲劳极限σw，螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处，螺栓应力幅σα越小，螺栓的疲劳寿命相应越长，以得到该外部载荷下的最优预压缩量。根据表二的处理的有限元分析的数据可得，在70kN的螺栓预紧力工况下，不同预压缩量的设计最终导致了ABAQUS中模拟计算结构的螺栓应力幅σα的不同，最终选取应力幅σα＝123.62MPa最小时，预压缩量为0.15mm为本实施例的最佳预压缩量；
步骤S4.3、基于最优预压缩量，控制载荷变量，基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，对比不同预压缩量工况下的螺栓应力幅σα的大小，以验证最优预压缩量设计的可行性。此外，本发明所提出的复合材料螺栓连接结构预压缩量的设计不局限于本实施例结构，对于带有直孔、台阶孔等不同形状的复合材料螺栓连接结构也同样适用，只需要建立相应的复合材料螺栓连接结构预压缩量设计模型。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定待分析复合材料螺栓连接结构的参数；
S2、构建复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，并进行有限元模拟计算，得到复合材料螺栓连接结构的有限元分析结果；
S3、基于应力分析有限元模型，调整嵌件几何参数，构建复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，并计算得到不同预压缩量设计工况下的复合材料螺栓连接结构的多个相关参数；
S4、对比步骤S3中在不同预压缩量和不同拉伸载荷工况下的多个相关参数，确定复合材料螺栓连接结构的最优预压缩量；
步骤S2具体包括：
S2.1、基于待分析复合材料螺栓连接结构参数，构建复合材料螺栓连接结构的应力分析有限元模型，得到复合材料螺栓连接结构中螺栓内部轴向力Fb的变化曲线和轴向力受力横截面积As；
S2.2、根据螺栓内部轴向力Fb的变化曲线和轴向力受力横截面积As，计算螺栓的载荷波动φW、被联接件上拉伸载荷波动W、螺栓的平均应力σm和螺栓的应力幅σα；
S2.3、记录、对比无预压缩量设计下的螺栓应力幅σα和螺栓疲劳极限σw，当螺栓平均应力为σm时，若螺栓应力幅σα超过螺栓疲劳极限σw时，则螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处；
步骤S4具体包括：
S4.1、将步骤S3.3得到的不同预压缩量下的螺栓内部轴向力Fb和加载时间t结果作为数据点绘制在以螺栓内部轴向力Fb为纵轴、以加载时间t为横轴的坐标图中，得到不同预压缩量下的螺栓轴向力随外部拉伸载荷加载的时间-轴向力曲线；
S4.2、记录并对比不同预压缩量设计下的螺栓应力幅σα和螺栓疲劳极限σw，当螺栓平均应力为σm时，若螺栓应力幅σα超过螺栓疲劳极限σw，螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处，以得到该外部载荷下的最优预压缩量；
S4.3、基于最优预压缩量，控制载荷变量，基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，对比不同预压缩量工况下的螺栓应力幅σα的大小，以验证最优预压缩量设计的可行性。
2.根据权利要求1所述的基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，其特征在于，所述步骤S1中待分析复合材料螺栓连接结构参数，具体包括：
复合材料的材料属性、螺栓螺母、连接金属板、连接嵌件的材料属性和几何参数；
几何参数包括复合材料层合板宽径比、端径比、厚度、连接金属板的厚度、嵌件的预压缩量的长度、金属板上的直孔直径和螺栓螺母的直径。
3.根据权利要求1所述的基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，其特征在于，计算螺栓平均应力σm和螺栓应力幅σα：
Figure FDA0004055174720000021
其中，F0为螺栓轴向预紧力。
4.根据权利要求1所述的基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S3.1、基于应力分析有限元模型，调整嵌件的几何参数，构建与待分析结构参数相同的复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型；
S3.2、基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计模型，调整嵌件的几何参数，以实现对不同预压缩量结构设计的目的；
S3.3、基于复合材料螺栓连接预压缩量设计模型，分析不同预压缩量设计工况下的复合材料螺栓连接结构，并计算得到螺栓内部轴向力Fb和轴向力受力横截面积As。
5.根据权利要求4所述的基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法，其特征在于，步骤S3.1中待分析结构参数包括：
复合材料的材料属性、螺栓螺母、连接金属板、连接嵌件的材料属性以及几何参数，几何参数包括复合材料层合板宽径比、端径比、厚度、连接金属板的厚度、嵌件的预压缩量的长度、金属板上的直孔直径以及螺栓螺母的直径。
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