导语飞机机身对接、火箭舱段、新能源车电池包框架大量使用碳纤维复合材料 金属的螺栓拼接结构。但长久以来有一个棘手的工程通病多颗螺栓受力不均衡。复合材料脆性高、几乎没办法塑性缓冲形变靠近加载端的首颗螺栓孔承担绝大多数荷载应力集中之后率先出现孔洞损伤、纤维开裂连接件提前报废整机安全上限被一个螺栓孔拖累。大连理工大学科研团队近期于顶刊Composites Part B: Engineering交出解决方案自研一款自旋结构可调控刚度钛合金嵌入件一键分摊螺栓荷载危险孔洞荷载直接下降 63%彻底改写异质螺栓连接的受力分配。一、行业痛点为什么复合材料螺栓总是最先烂第一个孔[图 3 双搭接螺栓装配示意图]碳纤维复材层合板塑性变形能力很差简单理解成 “硬而且脆”。常规双搭接五螺栓连接受力时有一条固定规律加载端头 1# 螺栓扛起大半载荷。当一号螺栓孔周边纤维出现微损伤之后复合材料没法通过塑性形变把压力分流给剩下螺栓应力持续堆积损伤快速扩张整组连接结构直接失效。传统改良手段大多改动复合材料板材、调整螺栓间距、预紧力缺点十分突出1、修改复材板材容易降低基材本身强度2、调试螺栓预紧力只能够小幅改善受力3、没有办法针对每一处螺栓孔独立调节局部刚度。行业迫切需要一种不动复合材料、只改造金属一侧结构的被动式荷载调控构件。二、核心设计四段式自旋结构嵌入件实现弹性调刚度[图 1 自旋结构化插入件组成图]本次 TC4 钛合金嵌入件一共分为内环、自旋结构、限位结构、外环四大构件所有调控荷载的精髓全部集中于中间自旋功能区。1、内环、外环厚度 0.5 mm承担孔壁过渡支撑2、中心自旋结构受挤压后发生可控弹性扭转变形改变螺栓孔局部刚度3、外围限位结构约束自旋部件最大形变防止过度变形发生结构崩坏。基础参数一览外径 15 mm、内径 8 mm、整体厚度 4 mm和金属螺栓孔过盈装配原材料 TC4 钛合金激光粉末床熔融 3D 打印制备打印完成之后 600℃氩气环境保温 4 h 热处理优化晶粒与力学性能。关键创新亮点改动只发生在金属板开孔位置全程不对脆性复合材料层合板做任何加工从根源规避钻孔带来的复材初始损伤。三、力学原理分段式形变主动分流螺栓荷载图5 单插入件连接试样的载荷-位移曲线ΔRgap0.38 mm图6 单插入件连接试样的载荷-位移曲线ΔRgap0.68 mm[图 5、图 6 两种限位间隙载荷‑位移曲线图]科研团队设置两组限位间隙开展对照试验嵌入件依靠形变阶段切换调整刚度1、间隙 ΔRgap0.38 mm两段式力学响应。前期自旋结构弹性形变、释放应力自旋结构触碰限位结构之后开启全新传力通道结构刚度上涨2、间隙 ΔRgap0.68 mm三段式响应中间平台区间代表自旋结构进入可控塑性形变用来缓冲峰值荷载。自旋结构宽度 ΔHp 为核心可调参数宽度从 0.7 mm 上调到 1.2 mm第二阶段承载平台拓宽 38%构件极限承载能力上涨 22%。科研人员通过改变该宽度独立定制每一个螺栓孔的局部刚度平衡各个孔洞承担的荷载占比。四、仿真 实体试验硬核量化全部优化数据试验标准采用 ASTM D5961双搭接试样3 mm 碳纤维热塑性复材板两侧 4 mm TC4 钛合金板、M8 钛合金螺栓紧固借助 Abaqus 有限元仿真Hashin 失效准则 UMAT 子程序追踪纤维损伤。图7 无插入件试样仿真分析的应力云图图8 不同ΔHp值下的螺栓载荷分布图9 无插入件试样的仿真与试验纤维损伤云图图10 单插入件连接试样的仿真与试验纤维损伤云图[图 7‑10 有无嵌入件应力、纤维损伤对照云图]几组硬核对比数据1、最危险螺栓峰值荷载7.7 kN→2.8 kN荷载降幅 63%2、基础工况螺栓载荷方差0.77 下降至 0.10受力不均匀度下降 87%3、一号螺栓峰值荷载7.67 kN 降至 2.85 kN4、无优化五螺栓载荷方差高达 4.23 kN加装统一规格嵌入件方差 0.52。从损伤云图能够直观看到不带嵌入件时一号螺栓孔纤维损伤严重自旋嵌入件成功把荷载由 1# 孔疏导至二号螺栓损伤区域缩小多孔损伤分布趋向均匀失效位置不再固定于加载端头。五、遗传算法多参数全局优化定制每一颗螺栓刚度[图 11 遗传算法优化流程图]五螺栓连接各个孔洞理想刚度需求并不相同。团队以最小化螺栓荷载方差作为优化目标遗传算法耦合 Abaqus 仿真迭代求解五个螺栓自旋结构最优宽度。优化之后取整参数0.7、0.8、1.2、1.2、1.2 mm优化构型最终荷载方差压低至 0.10达成近乎均等受力。六、工程落地价值覆盖航空航天、新能源多个赛道这项技术非常适配轻量化高端装备三大工程优势1、保全复合材料嵌入件仅在金属板扩孔装配不对脆弱的碳纤维板材加工2、模块化定制金属 3D 打印快速制备不同自旋宽度嵌入件每个螺栓独立调控刚度3、改造成本低无需改动原有螺栓排布、板材结构可以直接对现有螺栓连接结构升级改造。适用场景清单✅飞机机身分段对接螺栓组✅运载火箭舱段连接件✅新能源汽车动力电池包框架✅轨道交通、船舶轻质复合构件七、文末小结[图 12 优化后多孔螺栓载荷分布示意图]长久以来复材‑金属螺栓受力不均属于行业老大难。大连理工自旋式刚度可调嵌入件跳出改造复合材料的固有思路利用金属构件可控弹性形变主动分配荷载配合遗传算法批量优化参数。低成本、可定制、保护脆性复合材料这项结构设计将会为国内轻量化高端装备异质材料连接提供一条崭新思路。
导语飞机机身对接、火箭舱段、新能源车电池包框架大量使用碳纤维复合材料 金属的螺栓拼接结构。但长久以来有一个棘手的工程通病多颗螺栓受力不均衡。复合材料脆性高、几乎没办法塑性缓冲形变靠近加载端的首颗螺栓孔承担绝大多数荷载应力集中之后率先出现孔洞损伤、纤维开裂连接件提前报废整机安全上限被一个螺栓孔拖累。大连理工大学科研团队近期于顶刊Composites Part B: Engineering交出解决方案自研一款自旋结构可调控刚度钛合金嵌入件一键分摊螺栓荷载危险孔洞荷载直接下降 63%彻底改写异质螺栓连接的受力分配。一、行业痛点为什么复合材料螺栓总是最先烂第一个孔[图 3 双搭接螺栓装配示意图]碳纤维复材层合板塑性变形能力很差简单理解成 “硬而且脆”。常规双搭接五螺栓连接受力时有一条固定规律加载端头 1# 螺栓扛起大半载荷。当一号螺栓孔周边纤维出现微损伤之后复合材料没法通过塑性形变把压力分流给剩下螺栓应力持续堆积损伤快速扩张整组连接结构直接失效。传统改良手段大多改动复合材料板材、调整螺栓间距、预紧力缺点十分突出1、修改复材板材容易降低基材本身强度2、调试螺栓预紧力只能够小幅改善受力3、没有办法针对每一处螺栓孔独立调节局部刚度。行业迫切需要一种不动复合材料、只改造金属一侧结构的被动式荷载调控构件。二、核心设计四段式自旋结构嵌入件实现弹性调刚度[图 1 自旋结构化插入件组成图]本次 TC4 钛合金嵌入件一共分为内环、自旋结构、限位结构、外环四大构件所有调控荷载的精髓全部集中于中间自旋功能区。1、内环、外环厚度 0.5 mm承担孔壁过渡支撑2、中心自旋结构受挤压后发生可控弹性扭转变形改变螺栓孔局部刚度3、外围限位结构约束自旋部件最大形变防止过度变形发生结构崩坏。基础参数一览外径 15 mm、内径 8 mm、整体厚度 4 mm和金属螺栓孔过盈装配原材料 TC4 钛合金激光粉末床熔融 3D 打印制备打印完成之后 600℃氩气环境保温 4 h 热处理优化晶粒与力学性能。关键创新亮点改动只发生在金属板开孔位置全程不对脆性复合材料层合板做任何加工从根源规避钻孔带来的复材初始损伤。三、力学原理分段式形变主动分流螺栓荷载图5 单插入件连接试样的载荷-位移曲线ΔRgap0.38 mm图6 单插入件连接试样的载荷-位移曲线ΔRgap0.68 mm[图 5、图 6 两种限位间隙载荷‑位移曲线图]科研团队设置两组限位间隙开展对照试验嵌入件依靠形变阶段切换调整刚度1、间隙 ΔRgap0.38 mm两段式力学响应。前期自旋结构弹性形变、释放应力自旋结构触碰限位结构之后开启全新传力通道结构刚度上涨2、间隙 ΔRgap0.68 mm三段式响应中间平台区间代表自旋结构进入可控塑性形变用来缓冲峰值荷载。自旋结构宽度 ΔHp 为核心可调参数宽度从 0.7 mm 上调到 1.2 mm第二阶段承载平台拓宽 38%构件极限承载能力上涨 22%。科研人员通过改变该宽度独立定制每一个螺栓孔的局部刚度平衡各个孔洞承担的荷载占比。四、仿真 实体试验硬核量化全部优化数据试验标准采用 ASTM D5961双搭接试样3 mm 碳纤维热塑性复材板两侧 4 mm TC4 钛合金板、M8 钛合金螺栓紧固借助 Abaqus 有限元仿真Hashin 失效准则 UMAT 子程序追踪纤维损伤。图7 无插入件试样仿真分析的应力云图图8 不同ΔHp值下的螺栓载荷分布图9 无插入件试样的仿真与试验纤维损伤云图图10 单插入件连接试样的仿真与试验纤维损伤云图[图 7‑10 有无嵌入件应力、纤维损伤对照云图]几组硬核对比数据1、最危险螺栓峰值荷载7.7 kN→2.8 kN荷载降幅 63%2、基础工况螺栓载荷方差0.77 下降至 0.10受力不均匀度下降 87%3、一号螺栓峰值荷载7.67 kN 降至 2.85 kN4、无优化五螺栓载荷方差高达 4.23 kN加装统一规格嵌入件方差 0.52。从损伤云图能够直观看到不带嵌入件时一号螺栓孔纤维损伤严重自旋嵌入件成功把荷载由 1# 孔疏导至二号螺栓损伤区域缩小多孔损伤分布趋向均匀失效位置不再固定于加载端头。五、遗传算法多参数全局优化定制每一颗螺栓刚度[图 11 遗传算法优化流程图]五螺栓连接各个孔洞理想刚度需求并不相同。团队以最小化螺栓荷载方差作为优化目标遗传算法耦合 Abaqus 仿真迭代求解五个螺栓自旋结构最优宽度。优化之后取整参数0.7、0.8、1.2、1.2、1.2 mm优化构型最终荷载方差压低至 0.10达成近乎均等受力。六、工程落地价值覆盖航空航天、新能源多个赛道这项技术非常适配轻量化高端装备三大工程优势1、保全复合材料嵌入件仅在金属板扩孔装配不对脆弱的碳纤维板材加工2、模块化定制金属 3D 打印快速制备不同自旋宽度嵌入件每个螺栓独立调控刚度3、改造成本低无需改动原有螺栓排布、板材结构可以直接对现有螺栓连接结构升级改造。适用场景清单✅飞机机身分段对接螺栓组✅运载火箭舱段连接件✅新能源汽车动力电池包框架✅轨道交通、船舶轻质复合构件七、文末小结[图 12 优化后多孔螺栓载荷分布示意图]长久以来复材‑金属螺栓受力不均属于行业老大难。大连理工自旋式刚度可调嵌入件跳出改造复合材料的固有思路利用金属构件可控弹性形变主动分配荷载配合遗传算法批量优化参数。低成本、可定制、保护脆性复合材料这项结构设计将会为国内轻量化高端装备异质材料连接提供一条崭新思路。
