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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。合理性。合理性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合材料螺栓连接结构的预压缩量设计方法


[0001]本专利技术属于复合材料螺栓智能设计的
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0008]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：
[0009]S1、确定待分析复合材料螺栓连接结构的参数；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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：
[0014]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；
[0015]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。
[0016]作为本方法的进一步方案，步骤S2具体包括：
[0017]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F
b
的变化曲线和轴向力受力横截面积A
s
；
[0018]S2.2、根据螺栓内部轴向力F
b
的变化曲线和轴向力受力横截面积A
s
，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σ
m
和螺栓的应力幅σ
α
；
[0019]S2.3、记录、对比无预压缩量设计下的螺栓应力幅σ
α
和螺栓疲劳极限σ
w
，当螺栓平均应力为σ
m
时，若螺栓应力幅σ
α
超过螺栓疲劳极限σ
w
时，则螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处。
[0020]作为本方法的进一步方案，计算螺栓平均应力σ
m
和螺栓应力幅σ
α
：
[0021][0022][0023]其中，F0为螺栓轴向预紧力。
[0024]作为本方法的进一步方案，步骤S3具体包括：
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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F
b
和轴向力受力横截面积A
s
。
[0028]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：
[0029]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。
[0030]作为本方法的进一步方案，步骤S4具体包括：
[0031]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F
b
和加载时间t结果作为数据点绘制在以螺栓内部轴向力F
b
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；
[0032]S4.2、记录并对比不同预压缩量设计下的螺栓应力幅σ
α
和螺栓疲劳极限σ
w
，当螺栓平均应力为σ
m
时，若螺栓应力幅σ
α
超过螺栓疲劳极限σ
w
，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；
[0033]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σ
α
的大小，以验证最优预压缩量设计的可行性。
[0034]本专利技术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：
[0035]1、本专利技术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。
[0036]2、与传统的复合材料螺栓连接结构模型相比，本专利技术创造性的提出了预压缩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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，所述步骤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F
b
的变化曲线和轴向力受力横截面积A
s
；S2.2、根据螺栓内部轴向力F
b
的变化曲线和轴向力受力横截面积A
s
，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σ
m
和螺栓的应力幅σ
α
；S2.3、记录、对比无预压缩量设计下的螺栓应力幅σ
α
和螺栓疲劳极限σ
w
，当螺栓平均应力为σ
m
时，若螺栓应力幅σ
α
超过螺栓疲劳极限σ
w
时，则螺栓将疲劳断裂在螺栓与螺母连接处。4.根据权利要求3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σ
m
和螺栓应...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱旻昊，刘建华，丁叁叁，王石，杨力科，彭金方，
申请(专利权)人：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：