2024年3月14日发(作者：乐子琳)
第３６卷第５期 兵器材料科学与工程
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．５
２０１３年 ９月
０ＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｓｅｐｔ．，２０１３
网络出版时间：２０１３—９．１７ ｌ５：ｌ８
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３３．１３３１．ＴＪ．２０１３０９１７．１５１８．００９．ｈｔｍｌ
复合材料螺栓连接强度与损伤扩展分析
孙胜 ，曹增强’，甘学东
（１．西北工业大学机电学院，陕西西安７１００７２；２．成都飞机设计研究所，四川成都６１００９１）
摘要基于ＡＢＡＱＵＳ建立复合材料层合板螺栓连接三维渐进损伤模型，并通过数值模拟与实验极限强度值的对比，证明
模型具有较好的准确度，相对误差均在８％以内。在此基础上，研究螺栓一孔配合精度对层合板螺栓连接强度的影响，并预
测其损伤起始到最终失效的损伤扩展过程。结果表明，采用干涉量较小的干涉配合可以提高接头的极限强度；损伤单元
由中间铺层向表面铺层扩展，当损伤单元由孑Ｌ边沿径向扩展至板宽边缘时，层合板最终失效。
关键词复合材料；螺栓连接；渐进损伤；干涉配合；损伤扩展
中图分类号Ｖ２５８￣．３；ＴＰ３９１．９ 文献标志码Ａ 文章编号１００４—２４４Ｘ（２０１３）０５—０１１卜Ｏ５
Ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｎａａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｏｌｔｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＳＵＮ Ｓｈｅｎｇ。，ＣＡＯ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ ，ＧＡＮ Ｘｕｅｄｏｎｇ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈｅｎｇｄｕ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔｓ．
Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ８％．ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ
ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕａｙ ｈｏｗ ｉｆｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏ
ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈａｔ ｆｒｏｍ ｄａｍａｇｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ
ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｉｓ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ．Ｄａｍａｇｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｐｒｏｐａｇａｔｅ ｆｒｏｍ ｍｉｄｄｌｅ ｌａｙｅｒ ｔｏ ｓｕｒｆａｃｅ
ｌａｙｅｒ．Ｆｉｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅ Ｏｃｃｕｒｓ ｗｈｅｎ ｄａｍａｇｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｌａｍｉｎａｔｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｒａｄｉａ１．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔｓ；ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄａｍａｇｅ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｆｔ；ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
在飞机结构中，为保证连接强度与安全，复合材料 伤子程序，研究了配合间隙对接头极限强度的影响。
大量采用螺栓连接。复合材料螺栓连接接头失效一般
陈晓平 ］、张岐良ｎ们建立了螺栓连接三维有限元模型，
可分为损伤产生、损伤扩展、局部破坏和最终失效４个
不考虑渐进损伤，分析了干涉配合等对接头初始破坏
阶段…，是一个损伤累积过程。为了预测复合材料接 载荷的影响。ＴｓｅｒｐｅｓＮｉｌ利用ＡＮＳＹＳ建立了层合板机
头强度与损伤扩展，研究人员借助有限元法进行了广 械连接三维渐进损伤有限元模型，并与试验值比较验
泛研究。Ｆ．Ｋ．Ｃｈａｎｇ＿２］，Ｓ．Ｃ．Ｔａｎ［３ 和Ｐ．Ｐ．Ｃａｍａｎｈｏ［ 等
证了模型的有效性。
引入并逐步完善了渐进损伤有限元分析方法。Ｓｕｎ＿５ 在前人研究的基础上，建立三维有限元模型，利用
等提出了复合材料螺栓连接接头的三维有限元建模方
渐进损伤分析方法，配合实验研究，分析干涉配合对复
法，计算结果与实验值较为接近。Ｋｅｌｌｙ 通过实验分 合材料螺栓连接最终失效强度的影响，并对层合板的
析了配合间隙对层合板螺栓连接极限强度的不利影 损伤扩展过程进行预测。
响。Ｍ．Ｌ．Ｄａｎｏ 通过多组试件的数值模拟，研究了材
料失效准则与特性退化方法对渐进失效模型的影响。
１渐进损伤分析方法
姜云鹏 利用ＡＢＡＱＵＳ建立二维有限元模型，加入损
渐进损伤分析方法假设含损伤材料能够按材料性
收稿日期：２０１３—０３—０２；修回日期：２０１３—０４—２５
作者简介：孙胜，硕士研究生；主要研究方向为飞机先进装配与连接技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｓｈｅｎｇ３６９＠１２６．ｃｏｌｎ。
通信作者：曹增强，博士生导师，教授。Ｅ—ｍａｉｌ．ｃｚｑ６６３２６＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｅｌｌ。
东营：中国石油大学，２００７．
［４］裴峻峰，张嗣伟，齐明侠．共振解调和模糊识别在钻井泵轴
［２］焦清朝，刘永勤，张爱民，等．国内外轻便泥浆泵的现状与发
承故障诊断中的应用［Ｊ］．石油学报，２００５，２６（４）：１１９—１２２．
展趋势［Ｊ］．石油矿场机械，２００４，３３：２８—３１． ［５］Ｈａｒｖｅｙ Ｔ Ｊ，Ｗｏｏｄ Ｒ Ｊ Ｋ，Ｐｏｗｒｉｅ Ｈ Ｅ Ｇ．Ｅｌｅｃｔｏｒｓｔａｔｉｃ ｗｅａｒ
［３］李会明，裴峻峰，齐明侠，等．ＲＢＦ神经网络在往复泵故障诊
ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｂｅａｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００７，２６３（７／
断中的应用［Ｊ］．煤矿机械，２００６，２７（１１）：１８９—１９１．
８／９１１Ｏ／１ １／１２）：１４９２—１５０１．
2024年3月14日发(作者：乐子琳)
第３６卷第５期 兵器材料科学与工程
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．５
２０１３年 ９月
０ＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｓｅｐｔ．，２０１３
网络出版时间：２０１３—９．１７ ｌ５：ｌ８
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３３．１３３１．ＴＪ．２０１３０９１７．１５１８．００９．ｈｔｍｌ
复合材料螺栓连接强度与损伤扩展分析
孙胜 ，曹增强’，甘学东
（１．西北工业大学机电学院，陕西西安７１００７２；２．成都飞机设计研究所，四川成都６１００９１）
摘要基于ＡＢＡＱＵＳ建立复合材料层合板螺栓连接三维渐进损伤模型，并通过数值模拟与实验极限强度值的对比，证明
模型具有较好的准确度，相对误差均在８％以内。在此基础上，研究螺栓一孔配合精度对层合板螺栓连接强度的影响，并预
测其损伤起始到最终失效的损伤扩展过程。结果表明，采用干涉量较小的干涉配合可以提高接头的极限强度；损伤单元
由中间铺层向表面铺层扩展，当损伤单元由孑Ｌ边沿径向扩展至板宽边缘时，层合板最终失效。
关键词复合材料；螺栓连接；渐进损伤；干涉配合；损伤扩展
中图分类号Ｖ２５８￣．３；ＴＰ３９１．９ 文献标志码Ａ 文章编号１００４—２４４Ｘ（２０１３）０５—０１１卜Ｏ５
Ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｎａａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｏｌｔｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＳＵＮ Ｓｈｅｎｇ。，ＣＡＯ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ ，ＧＡＮ Ｘｕｅｄｏｎｇ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈｅｎｇｄｕ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＢＡＱＵＳ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔｓ．
Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ８％．ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ
ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕａｙ ｈｏｗ ｉｆｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏ
ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈａｔ ｆｒｏｍ ｄａｍａｇｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ
ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｉｓ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ．Ｄａｍａｇｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｐｒｏｐａｇａｔｅ ｆｒｏｍ ｍｉｄｄｌｅ ｌａｙｅｒ ｔｏ ｓｕｒｆａｃｅ
ｌａｙｅｒ．Ｆｉｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅ Ｏｃｃｕｒｓ ｗｈｅｎ ｄａｍａｇｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｌａｍｉｎａｔｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｒａｄｉａ１．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔｓ；ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄａｍａｇｅ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｆｔ；ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
在飞机结构中，为保证连接强度与安全，复合材料 伤子程序，研究了配合间隙对接头极限强度的影响。
大量采用螺栓连接。复合材料螺栓连接接头失效一般
陈晓平 ］、张岐良ｎ们建立了螺栓连接三维有限元模型，
可分为损伤产生、损伤扩展、局部破坏和最终失效４个
不考虑渐进损伤，分析了干涉配合等对接头初始破坏
阶段…，是一个损伤累积过程。为了预测复合材料接 载荷的影响。ＴｓｅｒｐｅｓＮｉｌ利用ＡＮＳＹＳ建立了层合板机
头强度与损伤扩展，研究人员借助有限元法进行了广 械连接三维渐进损伤有限元模型，并与试验值比较验
泛研究。Ｆ．Ｋ．Ｃｈａｎｇ＿２］，Ｓ．Ｃ．Ｔａｎ［３ 和Ｐ．Ｐ．Ｃａｍａｎｈｏ［ 等
证了模型的有效性。
引入并逐步完善了渐进损伤有限元分析方法。Ｓｕｎ＿５ 在前人研究的基础上，建立三维有限元模型，利用
等提出了复合材料螺栓连接接头的三维有限元建模方
渐进损伤分析方法，配合实验研究，分析干涉配合对复
法，计算结果与实验值较为接近。Ｋｅｌｌｙ 通过实验分 合材料螺栓连接最终失效强度的影响，并对层合板的
析了配合间隙对层合板螺栓连接极限强度的不利影 损伤扩展过程进行预测。
响。Ｍ．Ｌ．Ｄａｎｏ 通过多组试件的数值模拟，研究了材
料失效准则与特性退化方法对渐进失效模型的影响。
１渐进损伤分析方法
姜云鹏 利用ＡＢＡＱＵＳ建立二维有限元模型，加入损
渐进损伤分析方法假设含损伤材料能够按材料性
收稿日期：２０１３—０３—０２；修回日期：２０１３—０４—２５
作者简介：孙胜，硕士研究生；主要研究方向为飞机先进装配与连接技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｓｈｅｎｇ３６９＠１２６．ｃｏｌｎ。
通信作者：曹增强，博士生导师，教授。Ｅ—ｍａｉｌ．ｃｚｑ６６３２６＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｅｌｌ。
东营：中国石油大学，２００７．
［４］裴峻峰，张嗣伟，齐明侠．共振解调和模糊识别在钻井泵轴
［２］焦清朝，刘永勤，张爱民，等．国内外轻便泥浆泵的现状与发
承故障诊断中的应用［Ｊ］．石油学报，２００５，２６（４）：１１９—１２２．
展趋势［Ｊ］．石油矿场机械，２００４，３３：２８—３１． ［５］Ｈａｒｖｅｙ Ｔ Ｊ，Ｗｏｏｄ Ｒ Ｊ Ｋ，Ｐｏｗｒｉｅ Ｈ Ｅ Ｇ．Ｅｌｅｃｔｏｒｓｔａｔｉｃ ｗｅａｒ
［３］李会明，裴峻峰，齐明侠，等．ＲＢＦ神经网络在往复泵故障诊
ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｂｅａｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００７，２６３（７／
断中的应用［Ｊ］．煤矿机械，２００６，２７（１１）：１８９—１９１．
８／９１１Ｏ／１ １／１２）：１４９２—１５０１．