基于Patran/Nastran的连接单元模型对比仿真分析
                            刘〓伟1，刘衰财2，方志晓3，余梓豪1，高维成1
                            (1.哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江 哈尔滨〓150001)
                               (2.中国商飞上海飞机设计研究院，上海〓201210)
                            (3.江西洪都航空工业股份有限公司，江西 南昌〓330001)
    由于整体制造困难等原因，复合材料结构件之间存在大量的机械连接，连接处往往是结构关键危险部位，因此提高连接区安全性和经济性十分必要。基于此，以承受单向拉伸载荷的铝合金与复合材料层合板连接结构为研究对象，针对四螺栓单搭接结构模型，采用Patran/Nastran有限元软件对比分析了4种常用连接单元模型，分别获得了各种连接单元模型连接结构钉载分配、应力应变分布以及应力集中情况，分析结果对复合材料连接结构建模和分析有一定的参考意义。

    大型客机都是由各个部件通过各种紧固件连接组装而成的。A380客机即使通过大量使用复合材料整体结构减少了紧固件的使用，但是其紧固件的使用量也达到了百万数量。因此采用有限元方法，并通过恰当简化连接单元模型，对连接结构的每个连接单元进行钉载分配仿真分析是一种确定其承载力的方法。
很多学者已经对单个螺栓的承载试验和模拟有过研究。MCCARTHY等通过试验得到复合材料层合板单螺栓单剪的载荷位移曲线，得出的结论是载荷位移曲线在第一次出现突变时就认为是破坏。而在一维有限元仿真中，EKH等采用线性梁单元模拟螺栓，但是这种仿真结果过于简化，仅适用于简单的单个螺栓连接，不适合用于多钉结构的连接分析。KASHAEV等研究了新的复合材料层合板与钛合金连接形式对结构强度、刚度和疲劳极限的影响。CAMANHO等通过试验和数值仿真验证了一种新的钛合金与复合材料层合板高效连接方式，该连接方式通过多片钛合金板与复合材料层合板多层叠加、相互穿插，使用胶接和铆接，使得连接区域的连接效率大幅提高。谢鸣九等采用仿真与试验，对单搭接件和双搭接件的钉载分配情况以及非均匀分布的螺栓钉载分配问题进行了研究，分析了复合材料铺层对受载的影响，同时也对复合材料连接进行了系统的研究。张纪奎等对复合材料层合板的三钉单搭连接有限元模拟与钉载分配进行了研究，通过复合材料-铝合金三钉单搭连接单向拉伸试验，建立了复合材料多钉单搭连接的累积损伤有限元模型。

    在连接结构的仿真分析中，连接处是应力集中最严重的区域，采用不同的连接单元模型会使得连接结构的仿真结果出现较大偏差。为探索大型结构仿真中连接的简化模型，本文首先介绍了钉载分配的刚度分析方法，然后针对在二维连接结构仿真分析中常用的4种连接单元模型进行对比分析，获得了一些有意义的结果，可供大型复合材料连接结构建模和仿真分析参考。

1〓钉载分配的刚度分析方法
 图1显示了多排单列连接件，两端受拉伸载荷P0，螺栓编号从左到右为1～4，上板为A板，下板为B板。第i个螺栓承受的载荷为Pi，第i和第

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作者简介：刘伟(1979—)，男，黑龙江双城人，哈尔滨工业大学副教授，博士，主要研究方向为复合材料力学。


（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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