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有限元分析是复材栓接结构的常用分析方法，由于建模难度和计算效率的限制，现有的分析方法通常在建模过程中将螺纹紧固件进行简化处理，忽略具体的螺纹结构。简化处理导致复材栓接结构的拧紧过程无法被模拟分析，预紧力只能人为设置。这导致摩擦系数、拧紧力矩等关键装配工艺参数对于复材栓接结构装配结果的影响无法通过仿真分析获得。
为此，上海交通大学林清源等人提出了一种改进的复材栓接结构三维模型。该模型考虑了精细化的螺纹结构，可用于模拟真实的拧紧过程。利用该模型分析了螺栓拧紧力矩与螺栓预紧力之间的关系，并分析了摩擦系数对结构拧紧系数的影响。进一步地，建立了复材层合板装配过程中外表面上非线性压力分布状态的定量分析和预测方法。最后，利用所建立的方法分析了螺栓预紧力、垫圈类型和拧紧力矩对复合材料初始装配损伤的影响，并通过拧紧实验和CT无损检测对分析结果进行了验证。
内容介绍
文章首先建立了一种考虑精细化螺纹结构的紧固件程序化建模方法。该方法支持用户自定义紧固件结构参数、网格密度参数以及初始装配参数，建模程序可以根据用户定义的参数数值一键生成结构的网格模型。
图1 考虑精细化螺纹结构的紧固件自动建模程序
如图2(a)所示，以所建立的考虑精细化螺纹结构的紧固件模型为基础，模拟复材栓接结构的真实拧紧过程，计算过程中考虑了复合材料的层内与层间渐进损伤行为。如图2(b)所示，设置了垫片类型不同的三种复材栓接结构作为算例，对其拧紧过程进行了仿真分析与实验验证。如图3所示，实验过程中通过扭矩扳手施加并测量拧紧力矩，通过超声测试系统监测预紧力，通过压敏试纸检测压力分布状态，并在装配结束后通过工业CT检测复合材料的内部损伤。
图2 复材栓接结构真实拧紧过程仿真分析示意图
图3 复材栓接结构装配实验示意图
得益于所建立的精细化网格模型，通过仿真分析可以获得结构拧紧过程中的拧紧力矩和螺栓预紧力数值。如图4所示，绘制结构的扭矩预紧力曲线，实验结果与仿真分析结果基本一致。进一步地，分析了端面摩擦系数和螺纹摩擦系数两个关键因素对于结构拧紧系数的影响，摩擦系数和拧紧系数之间呈现出了明显的非线性负相关关系。
图4 复材栓接结构拧紧系数及其影响因素
此外，分析了结构装配过程中螺牙上的应力以及复材层合板上的压力分布状态，并对其进行了定量分析。图5为螺牙区域的应力分布情况，可以发现，应力在不同螺牙上非均匀分布，同时，在螺牙上的不同区域也分布不均，牙根处出现了明显的应力集中。如图6所示，对复材层合板外表面上的压力分布状态进行了定量分析与实验测试，实现了基于仿真分析结果的实验结果预测。
图5 装配过程螺牙区域应力分布状态
图6 层合板外表面压力分布状态仿真与实验结果分析
进一步地，分析了复材栓接结构预紧力过大时，复合材料所可能出现的初始装配损伤。如图7所示，初始装配损伤以分层损伤为主要形式，损伤区域主要集中在复材层合板两侧靠近紧固件的区域。同时，垫片的使用可以显着降低复合材料发生初始装配损伤的可能。
图7 复合材料初始装配损伤
该工作以“An improved 3D model of composite bolted joints with detailed thread structure and progressive damage analysis of realistic tightening process”为题发表在一区TOP期刊《Composite Structures》。第一作者为上海交通大学博士研究生林清源，通讯作者为上海交通大学赵勇副研究员。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目支持。
原始文献
Lin Q, Zhao Y, Pan W, Liu Y. An improved 3D model of composite bolted joints with detailed thread structure and progressive damage analysis of realistic tightening process. Composite Structures 2023;315:117016. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117016.
