多钉连接复合材料板钉传载荷的计算

多钉连接钉传载荷的计算是一个重要而复杂的问题。传统的方法是将被连接件简单看成刚性体，其结果难以满足实际需要。有限元法由于大量钉孔的存在，网格的划分势必很复杂。本文将被连接件看成是弹性体，以经典结构力学和平面各向异性弹性理论的复变函数解法为基础，给出了计算多钉连接复合材料板钉传载荷的线性代数方程组并进行了算例分析，结果表明，钉载分配存在着严重的非均匀性。     

多钉连接的载荷分配及影响因素

采用有限元法对多钉连接载荷分配及影响因素进行了研究.结果表明:多钉连接中钉载分配呈不对称"浴盆"形,浴盆的形状取决于两连接件的拉伸刚度比和钉的个数.两连接板的轴向刚度比不等于l时,靠近刚度较大板端头的钉受载最大;轴向刚度比愈趋近于1时,钉载分配愈均匀,且趋于对称分布.增加两连接件搭接区域宽度对均化钉载分配比例有利,而增加两连接件搭接区域长度对均化钉载分配比例不利.     

复合材料多钉连接数值计算方法研究

为了研究复合材料多钉机械连接特性,本文对板与螺栓进行受力分析,考虑连接板对螺栓产生的弯曲效应,建立适合于复合材料连接钉载分配的有限元计算方法。并从载荷-位移曲线方面对其进行比较验证,结果表明,相比传统方法该方法能更精确地反映复合材料连接的实际特征。采用本文建模方法进一步研究了板与螺栓间的弯矩随厚度变化情况。最后使用MSC.Patran二次开发语言PCL编制相应程序,使用模块化方法实现本文数值计算方法的快速应用分析。     

含螺栓或钉载并排孔搭接件孔边应力集中分析

为进一步探索工程结构中含螺栓或钉载孔搭接件的应力集中问题,基于有限元计算软件,建立含并排螺栓或钉载孔搭接件结构的局部三维有限元模型,计算双板搭接结构在承受均匀拉力载荷时局部的应力分布情况。分析研究在该状态下搭接件中两并排孔孔边的三维应力集中情况,得出应力集中系数与板的厚度、孔半径、孔间距之间的关系。为验证计算模型的精确性,通过与子模型法的计算结果进行对比。研究发现,板厚度、孔半径与孔间距对应力集中系数比值有明显影响,随着搭接件中板的厚度、孔半径或孔间距的改变,最大应力集中系数值的位置沿厚度方向发生改变。该结果可为当前连接件存在的应力集中问题提供参考依据。     

机翼壁板斜搭接钉载分配的数值研究

利用ABAQUS软件对壁板斜搭接件各钉承载比例进行了三维有限元分析。在分析过程中采用静态接触算法模拟钉与板的连接、板与板的搭接,并综合考虑搭接片之间的摩擦和接触、沉头铆钉上的预紧力、铆钉干涉量以及整个模拟试验件的边界约束条件。分析计算结果与试验结果基本一致,说明采用该软件和静态接触算法来模拟计算钉载分配是可行的。研究结果表明,在一定的使用范围内,对于机翼壁板斜搭接结构,减少搭接片最小厚度,一、四排钉传载率下降,二、三排钉传载率上升,钉载分配趋于均匀,且孔周局部应力集中也有所降低。     

木结构剪力墙中钉连接的实验研究

 选用国产普通圆钉、进口规格木材和定向木片板,制作了268个木结构剪力墙中钉连接的试件,采用单调加载方式进行实验研究,得到了如下主要结论：普通圆钉连接强度主要取决于破坏模式;边距不足明显影响钉连接的强度;钉连接刚度离散性较大,墙骨木材木纹方向对刚度的影响十分明显;通过进一步的试验研究,得出各种规格国产钉连接强度和刚度计算公式,将是十分必要的。     

电磁铆接钉杆长度对连接的影响

在铆钉不同高径比情况下,采用试验方法从铆钉宏观变形和微观连接方面分析铆钉钉杆长度对连接的影响.结果表明:放电电压升高,铆钉钉头变形量增加.电磁铆接对夹层材料厚度不敏感,对于不同钉杆长度的铆钉,铆钉钉杆变形均匀.随着铆钉钉杆长度增加,钉杆均匀性略有下降.在铆钉成形钉头处,有明显的剪切带生成.在铆钉钉杆与铝合金板连接处,铆钉与铝合金板紧密连接.在铆钉钉杆与复合材料连接处,铆钉与复合材料形成良好连接,对复合材料的挤压程度小,未出现复合材料分层和开裂.     

覆面板钉连接的承载性能试验研究

通过对60个采用国产圆钉制作的轻型木结构覆面板钉连接试件进行单调加载和单向反复加载试验,研究了钉连接的刚度退化和承载力变化规律.试验结果表明,除个别试件的覆面板断裂破坏外,绝大部分钉连接试件皆以Mc1屈服模式破坏,符合欧洲木结构设计规范钉连接计算对应的屈服模式;覆面板主方向与规格材木纹夹角对钉连接的承载性能有一定影响,但这种影响随试件放置时间的增长而减小;试件放置时间增长导致钉连接承载力和刚度下降;单向反复加载使钉连接刚度退化,而承载力略有提高,但随着反复加载次数的增加,两者都趋于稳定.通过对试验数据统计分析,得到了考虑退化的钉连接刚度计算公式.     

开孔板和栓钉连接件抗剪性能试验研究及承载力计算

为了研究开孔钢板+栓钉连接件的抗剪性能,以栓钉直径和贯穿钢筋直径为变化参数,进行了5组共10个模型试件的抗剪承载力试验.基于国内外53个栓钉和96个开孔钢板模型试验结果提出了开孔板和栓钉连接件抗剪承载力计算式.研究结果表明:弹性阶段试件抗剪承载力由栓钉和开孔钢板连接件共同承担,栓钉失效后承载力出现迅速下降随后保持不变,该阶段抗力主要由孔内贯穿钢筋承担并表现出良好的延性;随栓钉和贯穿钢筋直径的增加试件抗剪承载力及初始刚度均提高,而延性则减小;采用栓钉连接件和开孔钢板连接件叠加作用以及考虑1.25倍安全系数的承载力计算公式,其计算值与试验结果吻合较好.     

基于量纲分析的钉盘磨绕流阻力矩模型构建

 利用计算流体力学（CFD）方法、正交试验和量纲分析,研究了钉盘磨齿钉所受绕流阻力矩的数学模型。以钉盘磨主要结构参数、操作参数为试验因素,以两圈齿钉所受绕流阻力矩为试验指标,对钉盘磨进行正交试验,并基于量纲分析将试验数据无量纲化,采用各无量纲参数多项式相乘的形式对数据进行拟合,建立了钉盘磨绕流阻力矩数学模型。实例计算结果显示,在两种工况条件下,该模型所计算的第1、2 圈齿钉的绕流阻力矩与CFD 计算值之间的相对误差分别为9.832%、28.914%和10.321%、5.442%,表明该模型的分析结果满足工程所需精度。     

基于键型近场动力学的含裂纹板损伤模拟

针对含圆切口板和含穿透裂纹板结构,采用传统有限元法分析裂纹尖端区域的应力场分布,采用键型近场动力学方法模拟分析在承受拉伸、剪切速度边界条件下板内张开型裂纹和滑开型裂纹的形成与扩展。研究结果表明,近场动力学数值模拟的裂纹在有限元分析所得的应力集中区域生成,并且在两种结构状态不同边界条件下都能捕捉到板内裂纹复杂的发展过程,而且在模拟过程中裂纹自然扩展,能准确反映宏观材料渐进破坏过程中的细微观结构变化过程。     

应力集中单元

本文借助于复变函数方法，以圆孔为例，给出一个八节点的应力集中单元。单元的复应力函数，精确地满足孔边的边界条件，而在单元的外边界上，借助于最小余能原理，在变分意义下满足由节点位移参数表示的位移边界条件。实例表明，这样的单元可以较精确地反映出孔边的应力集中现象，在通用程序中应用该单元计算应力集中是非常有效的．     

含不同矩形孔各向异性板孔边应力状态

针对含矩形孔的复合材料板，根据非均质各向异性弹性理论，建立了基于准确的边界条件的边界积分方程，得到开口结构的应力分布，给出了含矩形孔复合材料板的精确解析解．按照所建立的数学模型对不同的矩形孔在偏轴荷载作用下对孔边应力集中系数的影响进行探讨．     

均匀降温下CRTSⅡ型高速铁路轨道板温度应力分析

根据无砟轨道板钢轨-轨道板-钢筋滑移线性本构关系,建立了均匀降温作用下纵连式轨道板温度应力计算模型.应用拉普拉斯变换方法求解平衡微分方程,得到钢筋和混凝土应力、位移的解析表达式,分析配筋率、扣件扣压力和板底摩擦力等参数对裂缝间距及轨道板内力、位移的影响.最后以京沪高铁CRTSⅡ无砟轨道板为例,计算30℃降温条件下的开裂间距,轨道板内力、位移随裂缝长度的分布规律.研究结果表明,解析表达式可以准确地分析轨道板的温度应力,为无砟轨道板设计提供理论依据.     

各向异性板应力集中问题最小二乘虚边界元解法

针对各向异性板的应力集中问题,依据虚边界元法的求解思路,以复变函数表达的基本解作为权函数,建立了相应最小二乘虚边界元的数学模式;其可求解正交各向异性或一般各向异性材料的平面问题.文中给出了含圆孔的各向异性板应力集中问题的数值算例;通过与边界元直接法、有限元法的数值比较可知,本文方法的数值结果具有较高的计算精度.此外,相对其它数值方法本文方法对于各向异性板应力集中问题的求解,具有较好的适用性和数值计算的稳定性.     

无限大薄板椭圆孔口裂纹前缘应力研究

带裂纹含孔口构件的研究一直是断裂力学与岩石力学等学科的重要课题.基于复变函数方法,利用保角变换将无限大多连域映射为单位圆,将问题的边界条件使用柯西积分简化.由于孔口是薄板应力变化剧烈的区域,在考虑孔口应力时,应用椭圆孔口分析结果探讨裂纹应力分布.以裂纹尖端点为新的极坐标原点建立坐标系,对裂纹前缘应力场计算公式进行了推导,得到了计算裂纹前缘应力场的二级渐进公式.研究中发现,原有一级渐进公式与精确解的相对误差较大,而本文推导出的二级渐进公式与精确解的相对误差较小.     

小样本数据下三维地应力反演分析

对于地下矿山等工程,初始地应力场的有效获取意义重大,但由于地质情况复杂,实测数据不足等原因,小样本数据下的三维地应力反演分析不易进行。本文在进行现场应力测量的基础上,提出了一种以边界荷载法为基础,结合反向传播神经网络（back propagation neural network,BP）的Flac3D地应力反演改进方法。以建个元高速公路五老峰隧道为示例,首先通过建立反演区域的三维地质模型,通过边界荷载法试算各边界条件的大致范围,再利用BP神经网络的非线性特征建立反演参数与地应力之间的函数关系,最后进行正算反推求解反演最佳边界条件。实测值与反演值进行对比,误差在可接受的范围内,证明了该方法在复杂地质体地应力反演中的可靠性与实用性。     

含圆孔有限厚度板的三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究含圆孔有限厚度板的圆孔边缘应力场,找出了应力集中系数与板的厚度、圆孔半径之间的关系,同时还分析了圆孔边缘的三维应力约束程度和三维应力约束区域的大小.研究结果表明:离面应力约束系数在板的中面最大,而在表面为0,三维应力约束影响区域的长度约为板厚的一半;应力集中系数沿厚度的分布是不均匀的,其最大值及位置与厚度有关;有限厚度板中面的应力集中系数及其最大值均大于平面应力或平面应变的应力集中系数;对含圆孔任意厚度板的应力集中问题,按平面应力或平面应变来考虑是不安全的;Sternberg等人对含圆孔任意厚度板的应力分布及应力集中系数的近似三维求解,仅适用于厚度较小的板,当板超过一定厚度时同样也是不安全的.     

复杂截面扭转问题的孔洞拟填充法分析

为解决复杂截面应力、变形问题的求解,以柱体扭转问题的应力函数及多连域转化为单连域的方法为基础,应用有限元-边界元法,提出了"孔洞拟填充"的方法,并利用有限元分析软件ANSYS Workbench以偏心轮为例模拟求解扭转问题.结果证明该方法可以适用于任何截面的杆件.     

部分边界受力情形下带对称双裂纹的圆形孔口问题的解析研究

利用复变函数方法,通过构造保角映射,研究了只在孔边受到均匀压力而裂纹面上不受力的情形下,带对称双裂纹的圆形孔口的平面弹性问题,给出复应力函数的精确表达式及应力场的解析表示,求得了裂纹尖端应力强度因子的解析解.在极限情况下,所得结果可以还原为在孔边及裂纹上均受到均匀压力时带对称双裂纹的圆形孔口问题.