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玻璃增强塑料(玻璃钢)与铝制T型螺栓接头

英国国家物理实验所(NPL)使用LUSAS Composite,对两种T型螺栓接头在各种静态荷载条件下,进行了参数研究。为了对屈服和疲劳的评估以及对实验数据的证实,变截面特性的影响,例如腹板和底板厚度,翼缘半径和螺栓位置,将被研究。


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npl_alum_350.jpg概况

T型螺栓接头广泛用于机械、土木工程、航空与船舶领域,它们可长时间维持静态或循环疲劳荷载,而且在其承载能力内无不良影响。然而,在动态波动或恒载作用下,接头有时在应力水平远未达到静荷载作用下的接头强度时,就已经破坏。为了解决这个问题,NPL对与设计T型螺栓接头直接相关的参数进行研究。*终目标是制作一个工作指南,来说明与一般接头性能相关的参数的重要性。


T型螺栓

选定玻璃增强塑料(GRP)和铝制螺栓接头进行研究。它们具有相似的组成,仅是名义厚度不同。GRP接头构件由0.64mm厚的单向层和0.4mm厚的双轴编织层组合而成,总厚度为12.16mm。铝制接头为15mm厚,采用2014-T6铝合金制成。在这两种情况下,都采用一对辐射式翼缘来连接腹板和底板,它们用直径为12mm的螺栓相连,螺栓位置固定在翼缘的每个平坦区域。


建模

LUSAS Composite中创建两种T型接头的三维模型,并在每个模型上施加一个直接的拉力,一个横向和倾斜荷载。对于直接的拉力荷载,由于对称性,只需要定义一半的模型。虽然在LUSAS中可以对单独的薄层进行建模,但是NPL决定简化建模,使用一个正交各向异性实体材料模型进行GRP层的整体建模。从内部的CoDA软件可以获得其属性。非线性材料模型被用于铝制T型接头。为了模拟扭转螺栓的夹紧力,在对模型加载前先对每个螺栓的胫施加一个预应力。

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修改构件接触面的建模是这种类型分析的关键,因此LUSAS滑移线工具被广泛使用。滑移线自动考虑了接触构件间的任何摩擦接触。总之,42套滑移线涵盖了发生在用于横向和倾斜荷载分析的T型接头模型分析中的各种接触情况下。


滑移线用于模拟:

  • 腹板、底板和翼缘板间的初始接触

  • 螺帽的下部与腹板、底板以及翼缘板的初始接触

  • 翼缘和腹板/底板间损失或增加的接触

  • 螺栓胫与洞间可能的接

 

接头的破坏标准以铝的屈服,或对于GRP模型,以超过了复合材料的破坏强度。为此,需要获得在翼缘、底板以及腹板间接触面处,以及翼缘半径的中点处的预测破坏荷载。对T型接头进行关于应变的实验,得到的结果证实了LUSAS结果的正确。


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结果

LUSAS分析表明,对于在直接拉力作用下的铝制螺栓接头,螺栓洞的拉长*初发生在底板,然后腹板的螺栓洞发生相似的破坏。由于应力和应变的集中,*终破坏发生在腹板的中间。NPL的研究科学家Mike Gower认为:“对于铝制接头,在直接拉力情况下我们要预测屈服发生的地方和程度,来用于疲劳实验中给一个接头样品施加屈服荷载的一个百分比。对于GRPT型接头,通过观察模型中的各种应力,我们可以确定在哪一个荷载增量下模型超过了材料强度值。”


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对于GRPT型接头,Mike Gower说:“使用LUSASHashin破坏模型,我们得到了很一致的结果。乍一看,好像GRP的翼缘正在使腹板的中部分层,但是实际上LUSAS和物理测量的结果都表明,由Hashin破坏指数预测的峰值应力,在翼缘的曲线部分蔓延前,实际上发生在单向和编织层间接触面的螺栓处。


对于直接拉力荷载情况下,LUSAS有些轻微地过预测了结果。这可能由于在建模底板支撑时采用了无限刚度,而实际应该使用弹簧来代替。然而,屈服荷载吻合的很好。横向加载接头所获得的结果,同样也吻合的很好,这表明这种荷载条件下约束的建模,比直接拉力荷载条件有更少的影响。


“使用LUSAS对这个研究非常有用。我发现它非常直观。”

Mike Gower, Research Scientist, National Physical Laboratory

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