Методика моделирования нелинейной жесткости на смятие пластин из композиционного материала в зоне установки крепежных элементов для решения задач статической прочности


Авторы

Архипов П. А.

АО «Аэрокомпозит», 125167, Россия, г. Москва, Ленинградский проспект д.47 стр.2

e-mail: p.a.arkhipov@yandex.ru

Аннотация

Рассмотрены методы моделирования крепежных элементов в конечно-элементных моделях, разработанных для анализа статической прочности. Представлена методика моделирования нелинейной жесткости на смятие пластин из композиционного материала с симметричной и сбалансированной укладкой слоев в зоне установки крепежных элементов для решения задач статической прочности. 
Для моделирования жесткости на смятие пластины из композиционного материала используются два элемента CBUSH (в терминах программного комплекса MSC.NASTRAN): 
1.    Элемент CBUSH №1 моделирует линейную жесткость на смятие;
2.    Элемент CBUSH №2 моделирует нелинейную жесткость на смятие, которая определяется из результатов испытаний согласно ASTM D5961. 
Алгоритм для вычисления линейной жесткости на смятие для элемента CBUSH №1 состоит из последовательных шагов:
1.    Вычисление линейной жесткости на смятие для типовой конечно-элементной модели пластины и болта с использованием трехмерных твердотельных элементов;
2.    Вычисление линейной жесткости на смятие для конечно-элементной модели пластины, соответствующей типовой зоне моделирования крепежного элемента в конечно-элементной модели детали; 
3.    Вычисление линейной жесткости на смятие для элемента CBUSH №1 как разницы между линейной жесткостью на смятие, полученной в шаге №1, и линейной жесткостью на смятие, полученной в шаге №2. 
Для элемента CBUSH №2 задается график «Перемещение-Сила», который разрабатывается по результатам испытаний образцов согласно ASTM D5961.
Проведена модификация двух существующих вариантов моделирования крепежных элементов. Проведен расчет тестовой задачи с представлением результатов с существующим вариантом моделирования крепежных элементов и с учетом его доработки по представленной методике. Представленный подход позволяет обоснованно рассчитать нагрузки на крепеж многоболтового соединения и крепеж не силовых элементов к силовым элементам конструкции при нагрузках, близких к предельным по критерию смятие под крепежным элементом. 

Ключевые слова:

крепёжный элемент; конечно-элементная модель; жесткость на смятие; композиционный материал

Список источников

  1. MSC Nastran Quick reference guide, May 2013, Version 2013
  2. Alexander Rutman, Adrian Viisoreanu, John A. Parady, Jr. Fasteners Modeling for MSC.Nastran Finite Element Analysis, SAE International and the American Institute of Aeronautics and Astronautics 2000, 18 p. DOI: 10.2514/6.2000-5585
  3. Alexander Rutman, Chris Boshers, John Parady, Larry Pearce Fastener Modeling for Joining Composite Parts, Virtual Product Development Conference, 2009, 22 p.
  4. Таричко В. И., Шалупина П. И. К вопросу о динамической нагруженности несущих конструкций специальных колесных шасси, Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей», 2019, выпуск №4, с. 73-83
  5. R.S. Martins, S.P. Ernani, A. Lorentz Influence of Types of Discrete Modelling of Fasteners in FEM Models, NAFEMS World Congress, 2017, 26p.
  6. Боровская Я. С., Гришин В. И., Качарава И. Н., Наумов С. М. Исследование прочности многорядных металлокомпозитных соединений, Ученые Записки ЦАГИ, 2013, т. XLIV, № 4, с. 80 - 90.
  7. Боровская Я. С., Гришин В. И., Попов Д. В. К определению усилий среза в болтах многорядных металлокомпозитных стыков, Ученые Записки ЦАГИ, 2010, т. XLI, № 6, с. 72 - 79.
  8. Богословский С.Е., Мартиросов М.И. Численное и аналитическое определение критических напряжений подкрепленной оболочки при решении задачи устойчивости, Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2020, с.481 – 490
  9. Полоник Е.Н., Суренский Е.А., Федотов А.А. Автоматизация расчетов усталостной долговечности механических соединений элементов авиаконструкций, Труды МАИ, выпуск № 92, 2017, 22 с., URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=76755
  10. Дударьков Ю. И., Лимонин М. В., Наумов С. М., Осипян Е. Э. Виртуальное Моделирование эксперимента при статических испытаниях силовых панелей конструкции планера летательного аппарата, Космические аппараты и технологии, 2015, с. 32 - 39
  11. Вашурин А.С., Орлов Л.Н. Расчетно-экспериментальная оценка пассивной безопасности кузова из многослойных панелей вахтового автобуса, Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2014, с. 46 – 54
  12. Алябьев А.Ф., Федотов М.В., Колесников А.Б. Исследование прочностных свойств рамы грузовой платформы колесного форвардера, Научный журнал КубГАУ, 2021, выпуск №174, 13 с., DOI: 10.21515/1990-4665-174-003
  13. Стрекоз А.В., Сидоренко В.В., Ледовских И.В. Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) элерона из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с применением метода конечных элементов (МКЭ), Известия Южного федерального университета. Технические науки, 2019, с. 122 – 133, DOI: 10.23683/2311-3103-2019-6-122-133
  14. R.S. Martins, M.T. Santos, E.S. Palma Fastening analysis using low fidelity finite element models, 31st Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, 2018, 10 p.
  15. Geoff Morris Defining a standard formula and test-method for fastener flexibility in lap-joints, PhD thesis, Technical University Delft  2004, The Netherlands.
  16. Heimo Huth Influence of fastener flexibility on the prediction of load transfer and fatigue life for multiple-row joints, In ASTM, editor, Fatigue in Mechanically Fastened Composite and Metallic Joints, 1986, 30 p.
  17. S. Rosenfeld, M. B. Tate Preliminary investigation on loads carried by individual joints, NACA-TN-1051, Technical report, 1946, 74 p.
  18. Swift T. Development of fail-safe design features of the dc-10, Damage tolerance in aircraft structures, ASTM STP486, American society for Testing and Materials, 1971, pp. 164-214. DOI: 10.1520/STP26678S
  19. Ендогур А.И., Кравцов В.А., Солошенко В.Н. Принципы рационального проектирования авиационных конструкций с применением композитных материалов, Труды МАИ, выпуск № 72, 2014, 13 с., URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=47572
  20. Ендогур А.И., Кравцов В.А. Идеология проектирования авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов, Труды МАИ, выпуск № 81, 2015, 13 с., URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=57755
  21. Архипов П.А. Методика моделирования нелинейной жесткости на смятие металлических пластин в зоне установки крепежных элементов для решения задач статической прочности, Труды МАИ, выпуск № 140, 2025, 34 с., URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=184052

Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2026

 Вход