基于Hashin失效准则的复合材料螺栓连接损伤破坏研究

本文介绍了复合材料螺栓连接二维模型的损伤破坏分析方法,Hashin失效准则和刚度降方法,考虑接触关系,剪切非线性和材料刚度降低,针对Hashin失效准则编制相应的损伤程序,然后采用有限元软件ABAQUS对复合材料层合板螺栓连接件强度进行数值计算。研究结果表明,利用损伤子程序可以较好的预测层合板的破坏载荷以及损伤初始发生的铺层及其扩展方向,损伤的发生和扩展只与铺层角有关,而与铺层顺序、铺层的厚度无关,剪切非线性分析更加合理,考虑非线性影响时,失效准则中包括剪切应力项,损伤产生较早。     

拧紧工艺的螺栓连接结构预紧力变化规律

针对航空发动机装配过程中螺栓预紧力一致性差的问题,建立螺栓连接转子有限元模型,获得螺栓在顺序拧紧和星形拧紧时预紧力的衰减规律和分布特点.进行螺栓预紧力实验研究,分析了拧紧顺序及拧紧速度对螺栓预紧力的影响,并揭示了预紧力随时间的衰减机理.结果表明：拧紧相邻螺栓会使预紧力大幅衰减;提高拧紧速度会使螺栓获得较大预紧力,使得连接结构更加稳定;螺栓拧紧后预紧力会在短时间内大幅衰减,衰减规律与扭矩幅值息息相关.因此,在发动机装配中,严格控制螺栓拧紧工艺的同时,预紧力短时间内的衰减不可忽视.     

挤出机螺栓失效分析

作者通过各项测试、断口分析及有关机械设计计算,较全面地分析了螺栓的失效形式及原因,并提出防止失效的措施,从而为保证挤出机的正常运转和安全生产提供了有益的依据,也为探讨失效分析技术在机械零部件方面的应用提供有效的方法。     

热塑性复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击失效行为

夹芯结构具有优良的力学性能和多功能性,是一类良好的冲击防护材料。以编织玻璃纤维增强聚丙烯复合材料蜂窝夹芯板为研究对象,采用JSL-3000落锤式示波冲击试验机研究了其结构在低速冲击下的抗冲击特性。试验采用固支的边界条件,通过控制落锤下落高度实现不同冲击能量对结构低速冲击响应的影响;并在相同的冲击能量下,研究了蜂窝夹芯结构芯层高度和芯层层数对结构抗冲击性能的影响。利用ABAQUS有限元软件建立了蜂窝夹芯板的低速冲击模型与试验结果进行对比,通过对获得的载荷时间曲线和结构失效模式的分析,发现结构的损伤以上面板的凹陷和芯层的压溃为主,在面板未发生穿透的情况下结构会发生大幅度回弹。     

复合材料π接头的失效行为和试验研究

通过试验研究了复合材料整体π接头在拉伸载荷下的失效力学行为和设计优化。试验测试了三种不同高度的π接头在两种不同固定模式下的失效行为。试验结果表明接头分层式失效的主要模式;粘接高度为30 mm的接头抗拉强度最优;同时增强约束可以提高接头抗分层能力。     

模型修正技术在螺栓连接结构中的应用探讨

螺栓连接直接影响整体结构的可靠性和动态性能,需要精细的处理分析,而传统的有限元建模方法有的不能满足精度需求,有的过程复杂且计算量大.针对这一问题,利用改进的正交模型正交模态(ICMCM)法,基于模态试验结果,对一类螺栓连接结构的有限元模型修正技术进行了研究.模型修正前,采用最优拟合法进行振型扩展得到包含所有节点和变形的完备振型.研究结果表明,与螺栓连接刚性或多点约束建模方式相比,经过本文方法修正的刚性连接模型能满足修正效果评价准则,而且计算结果的精度和可靠度显著提高.同时,研究也表明,对于螺栓连接结构,无需建立复杂精细的有限元模型,只要对刚性模型进行上述修正即可获得满足实际工程需要的计算模型.     

基于贝叶斯推断的卫星螺栓连接结构动力学参数识别

在卫星等航天器结构运行过程中,螺栓连接结构会导致卫星刚度损失和能量耗散.对于某卫星螺栓连接结构开展了含能量耗散与滞回效应的动力学参数识别分析方法研究.首先针对螺栓连接结构的力学特征给出了含动力学耗散的Bouc-Wen(B-W)模型,并推导其在不同荷载下的方程新式.进而分别构建了力锤激励冲击加载和激振器周期加载试验系统,基于贝叶斯推断模型开展了螺栓连接结构动力学参数反演识别研究,给出表征Bouc-Wen模型的螺栓连接结构动力学参数及其在周期荷载下的滞回曲线.最后,基于Bouc-Wen模型计算了不同荷载下卫星螺栓连接结构的加速度.通过计算方程新式计算数据与实测数据之间的均方误差对比两种方法的拟合程度,结果表明两者的均方误差较小,所提方法在解决卫星螺栓连接结构动力学参数识别方面具有可行性和准确性.     

过滤器连接螺栓断裂失效分析

某防喷器油路过滤器SCM435连接螺栓在使用过程中发生断裂,造成过滤器无法正常工作。为查找连接螺栓失效原因,采用金相显微镜、拉伸试验机、冲击试验机、显微硬度计、扫描电子显微镜和能谱仪等测试手段,研究了断裂和未断裂螺栓的显微组织、化学成分、硬度、力学性能和断口形貌。结果表明：断裂和未断裂螺栓的组织均为回火索氏体和铁素体,断裂螺栓夹杂物较多,碳含量偏高,断裂螺栓的硬度和力学性能均低于未断裂螺栓。断裂螺栓断口在平行和斜45°角的两个断面,表现为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂形式,断裂源起源于内部。可见断裂螺栓是由于内部的碳化物等脆性相的不均匀分布,在持续外力作用下,优先形成裂纹源,随着裂纹的扩展而导致螺栓最终断裂。     

矿车制动盘螺栓断裂失效分析

针对材质为SCM435的矿车制动盘螺栓服役42h后出现断裂的问题,利用扫描电镜、直读光谱仪、金相显微镜、硬度计以及X射线能谱仪和氢测定仪等设备,对失效螺栓的断口形貌,化学成分,金相组织,硬度,非金属夹杂物以及氢含量和表面缺陷等进行了分析.结果表明:该螺栓的断裂是在应力和氢共同作用下引起的氢致延迟断裂,牙底折叠缺陷是导致应力集中和氢富集的重要诱因.     

闸阀压盖螺栓断裂失效分析

某化工厂聚丙烯车间一条闸阀压盖螺栓发生断裂,采用宏观检验、扫描电镜及能谱分析、金相检验等试验手段分析了该螺栓的断裂原因.结果表明:断裂是由于材料未经固溶处理,或固溶处理温度不高、时间较短,碳化物未经充分溶解,合金化程度较差,长期使用中造成晶界附近的金属贫铬,且在腐蚀介质中发生电化学反应,从而在较小的外力作用下发生晶间腐蚀断裂.     

汽轮机高温螺栓断裂失效分析

断裂螺栓晶粒粗大,有严重的混晶现象,碳化物及其他夹杂物在晶界呈链状或团状析出,使晶界脆化、晶界结合力下降而产生沿晶裂纹,导致螺栓发生沿晶脆性断裂。另外,螺栓在检修中出现表面损伤或受较大的预紧力也是螺栓断裂的另一原因。通过对某火力发电厂汽轮机高温螺栓失效分析,认为高温螺栓断裂机理以蠕变断裂为主;根据螺栓更换及判废标准,对现行的螺栓监督检验方法的有效性进行分析。     

振动环境中螺栓连接结构声发射特性的实验研究

振动环境中螺栓连接结构会发生碰摩现象,产生声发射信号。利用振铃计数率与能量等特征参数对声发射检测信号进行时域分析,结果表明:频率与加速度的改变都可以引起振铃计数率和能量的变化,振铃计数率和能量均随振动台加速度以及频率的提高而提高;螺栓连接结构在碰摩作用下产生出的能量与施加给螺栓的预紧扭矩的取值呈现一定的规律性:当预紧扭矩小于10 Nm时,能量随预紧扭矩的增加而减少;预紧扭矩等于10 Nm,产生的能量最小;预紧扭矩大于10 Nm以后产生的能量反而很高。     

SiC涂层C/C复合材料应力氧化失效行为

在氧化性气氛(21% O2 79% Ar)、不同拉应力下研究SiC涂层C/C复合材料在1 000 ℃和1 300 ℃的氧化失效行为;采用扫描电镜观察SiC涂层C/C复合材料氧化失效后的断口形貌.试验结果表明:当温度为1 000 ℃,拉应力由C/C复合材料拉伸强度的20%增加至50%时,SiC涂层C/C复合材料的应力氧化明显加剧,寿命由大于5.00 h缩短到2.92 h,应力对SiC涂层C/C复合材料的寿命有显著影响;当拉应力为C/C复合材料拉伸强度的50%,温度为1 000 ℃和1 300 ℃时,材料均在低温区断裂,应力氧化寿命分别为2.92 h和2.62 h,温度对应力氧化寿命的影响不明显;应力氧化失效以纤维的氧化失效为主,外加拉应力起促进作用.     

防止螺栓联接失效的计算方法

微动磨损会引起螺栓联接失效。文章分析了微动磨损下螺栓联接失效的原因。基于螺栓轴向弹性变形及接触面上的粗糙峰被碾平等因素，提出了防止螺栓联接失效的计算方法和公式。     

玻纤分布层合热塑性复合材料的力学性能及其失效行为

使用连续玻纤毡和玻纤网格布两种形态增强体,通过宏观不均匀增强体结构设计,在连续化运行的双钢带压机上制备得到了玻纤分布层合热塑性复合材料,探讨了玻纤增强体分布层合结构对复合材料力学性能及其失效破坏行为的影响。结果表明,玻纤增强体的宏观不均匀层合结构对复合材料的拉伸及弯曲性能的影响存在差异;连续玻纤毡位于外侧的分布层合结构能够抑制裂纹在垂直于拉力方向的扩展,层间分离的同时使更多的纤维束拔出断裂,显著改善了复合材料的拉伸性能;玻纤网格布位于外侧的分布层合结构则使其弯曲性能明显提高,外侧玻纤网格布中取向的玻纤呈现张力破坏使复合材料能够承受更高的弯曲载荷;分布层合结构中引入的玻纤网格布发挥了纤维束增韧作用,大幅提高了复合材料的冲击强度;与玻纤毡增强热塑料复合材料(GMT)相比,适宜的分布层合结构可使复合材料的拉伸及弯曲性能提高59%~76%、冲击强度提高53%。     

煤气加热器断裂螺栓的失效分析

对350 MW燃气轮机发电装置煤气加热器盲板上的螺栓断裂的失效机理及其起因进行了系统性的研究. 采用一系列的微宏观表征方法,分析其化学组成、金相结构、宏观外形、微观形态和微区的化学结构. 试验结果表明:螺栓的失效主要是由其材质不良、表面加工不当、紧固力不合理以及腐蚀环境等共同作用造起的. 进一步讨论了螺栓的电偶腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂的相关机理,并提出相应的预防措施.     

干涉配合对复合材料机械连接结构承载能力的影响

综合应用试验和有限元方法,分析了不同钉孔配合下复合材料机械连接结构的拉伸强度.结果表明：在一定范围内,随着干涉量的增加,复合材料机械连接结构的承载能力提高,但是当干涉量过大时,其承载能力反而下降;连接结构的初始刚度随着干涉量的增加也呈现先增大后减小的趋势;而且,干涉配合还会影响结构的破坏模式,过大的干涉量会导致结构提前突然破坏,影响结构的安全性.通过分析受载过程中孔周的接触和纤维失效范围可知,一定的钉孔干涉可改善孔周接触情况,使得孔边载荷更加均匀,并进而提高复合材料机械连接结构的承载能力;而过大的干涉量,则可能会引起孔周大范围的纤维破坏,从而导致连接结构提前失效.
     

含预埋元件热塑性复合材料共固化智能结构失效行为

预埋金属连接件并与碳纤维增强热塑性复合材料共固化是实现航空航天、汽车等重要工程领域结构高性能轻量化和智能化设计的有效手段之一,能够有效避免复合材料钻孔带来的力学性能损失以及纤维不连续引起的局部应力集中。该研究将金属连接件预埋入碳纤维/PA6预浸料,采用热压成型工艺制备共固化复合材料结构,考察预埋元件周围纤维连续与不连续结构形式对复合材料结构力学行为的影响,结合超声检测技术,分析智能连接结构损伤破坏模式,并建立相对应的有限元模型,探究因局部纤维结构形式不同所带来的复合材料力学性能和失效行为的差异。结果表明：预埋金属件周围的局部纤维结构形式对碳纤维增强热塑性复合材料的力学性能影响不大,但会带来不同的复合材料失效模式。     

机车连杆高强螺栓断裂失效分析

某机车运行中连杆高强螺栓发生提前破坏，文章从对断裂零件和断口的宏观形态、微观组织形貌态、受力状态分析等方面进行了全面检查分析。结果表明：连杆高强螺枪提前破坏是由于连杆内螺纹加工不合格，使用过程中螺栓松动，连杆孔壁挤压、切入螺栓头部导致一对螺栓相继断裂，今后生产中应加强杆内螺纹质量检验，避免螺栓松动。     

碳纤维复合材料胶铆接头静态拉伸和循环拉伸失效行为

对碳纤维复合材料(CFRP)的胶接、铆接、胶铆混合接头进行静态拉伸和循环拉伸疲劳实验,对3类接头的连接强度及失效行为进行分析,预测该接头达到106循环次数时的载荷水平。对胶铆接头中胶接和铆接的贡献进行讨论,分析拉-拉疲劳失效过程中CFRP层合板、胶层、铆钉的相互作用。对3类接头在静态拉伸和循环拉伸下的失效机制进行了总结,提出3种改善铆接强度的方案。结果表明：胶接对胶铆混合接头强度起决定性作用,铆接对接头起到“二次保护”的作用;所研究的CFRP胶铆混合接头,在80%、65%、55%、45%静态最大载荷水平下的疲劳寿命分别为8 174、22 568、95 014、331 916次。在37.1%的载荷水平下该接头的拉-拉疲劳寿命可达10⁶次;铆钉孔的开裂是CFRP铆接及胶铆混合接头的主要失效形式,在铆出侧增加垫片与在铆钉孔表面涂敷结构胶2种方法可提高铆接强度30%左右。