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复杂接头机械连接载荷分布工程化算法研究

阎国良  
【摘要】:随着复合材料在航空领域的应用日趋广泛,不可避免地会出现很多连接问题。由于复合材料的各向异性特性,使得机械连接孔边的应力分布异常复杂;又由于复合材料的脆性特性,使多钉连接钉载分配严重不均匀;而飞机上的主承力接头,如角盒类、三维耳片类连接接头受力复杂,目前大多仍采用金属件。鉴于以上三方面的连接设计原因,本论文针对复合材料机械连接单钉接头,建立了接触有限元模性,分析了不同层压板的孔边法向接触力分布及各分层孔周围的应力分布,摸清受载严重区域,为进一步的接头失效分析寻找理论依据;针对多钉连接接头,主要开展了载荷分配研究,对不同铺层参数、钉的不同排列型式、不同连接型式等参数对钉载分配的影响做了深入的研究,所得结论对航窄结构复合材料连接设计具有较高的实用价值;针对飞机上的主承力接头,本论文以常见的角盒和耳片接头为研究对象,建立三维有限元模型,分析了复杂接头的应力分布与钉载分配情况,所做工作对金属复杂接头设计具有指导意义。论文主要工作有以下几方面: 1.介绍了国内外学者在复合材料机械连接方面所做的主要工作,对目前复合材料层合板常用的连接形式(机械连接和胶接)进行了研究,分析了各种连接形式的优缺点。 2.比较了现有的几种连接接头有限元模型建模技术,通过实例计算及结果的分析比较,研究了不同简化模型的特点和适用范围,确定了本文的研究方法与计算模型。文中简要介绍相关的有限元理论,重点叙述了采用大型有限元分析软件MSC/NASTRAN对连接问题进行数值分析中的建模技术。 3.以一排三钉为算例,通过将计算结果与试验结果相比较,验证了本文所建立的有限元计算模型和计算方法的有效性。在此基础上,对单钉孔边应力分布法向接触力分布和多钉载荷分配情况进行了深入研究。在研究多钉载荷分配影响因素时,考虑了铺层参数、连接形式(单搭接和双搭接)以及钉间距对载荷分配的影响。结果表明本文建立的有限元模型及所采用的计算方法具有比较高的精度,能够用于工程计算。


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