1、内燃机与配件 w w w.n r j p j.c nE P G C 2 0 4材料螺栓连接时避免基体开裂的临界几何参数研究戴俊良,凌 旭,张冠勇(湖南化工职业技术学院,机电工程学院,湖南 株洲 4 1 2 0 0 0)摘 要:针对E P G C 2 0 4复合材料螺栓连接时基体开裂问题,运用数值模拟有限元仿真计算的方法,建立E P G C 2 0 4零件螺栓连接时几何参数(宽径比W/D,端径比E/D)与应力的关系曲线,研究几何参数对基体开裂的影响,寻找避免基体开裂的临界几何参数,为零件设计提供参考依据。关键词:E P G C 2 0 4复合材料;螺栓连接;基体开裂;临界几何参数 中图分类号:T
2、H 1 4 5 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 1 3-0 3R e s e a r c ho nC r i t i c a lG e o m e t r i cP a r a m e t e r s t oA v o i dM a t r i xC r a c k i n g i nE P G C 2 0 4M a t e r i a lB o l t e dC o n n e c t i o n sD a i J u n-l i a n g,L i n gX u,Z h a n gG u a n-y o n g(E l e c t
3、r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gC o l l e g e,H u n a nV o c a t i o n a lC o l l e g eo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,Z h u z h o u4 1 2 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o s o l v e t h em a t r i xc r a c k i n gp r o b l e md u r i n gb o l t c o n n e c t i o no
4、 fE P G C 2 0 4c o m p o s i t em a t e r i-a l,t h er e l a t i o n s h i pc u r v e sb e t w e e nt h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s(w i d t h/d i a m e t e rr a t i oW/D,e n d/d i a m e t e rr a t i oE/D)a n ds t r e s sw e r ee s t a b l i s h e db yu s i n gt h em e t h o do fn u m e
5、 r i c a l s i m u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nc a l-c u l a t i o n,a n dt h e i n f l u e n c eo fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nm a t r i xc r a c k i n gw a ss t u d i e d.T h ec r i t i c a lg e o m e t r i cp a-r a m e t e r s t oa v o i dm a t r i xc r
6、a c k i n ga r e f o u n dt op r o v i d er e f e r e n c e f o rp a r t sd e s i g n.K e yw o r d s:E P G C 2 0 4c o m p o s i t em a t e r i a l;B o l t c o n n e c t i o n;M a t r i xc r a c k i n g;C r i t i c a l g e o m e t r i cp a r a m e t e r s项目基金:2 0 2 0年度湖南省教育厅科学研究项目(编号:2 0 C 0 6 7 9)校级
7、工业机器人集成技术科研团队阶段性成果。作者简介:戴俊良(1 9 8 9),男,机械工程专业,工学硕士,工程师、讲师。通讯作者:凌旭(1 9 8 8),男,机械电子工程专业,硕士研究生,副教授、工程师。1 前言E P G C 2 0 4是一种环氧树脂基玻璃纤维复合材料,其中E P代表环氧树脂,G C代表玻璃纤维布,2 0 4为系列号1。其是按照G B/T 1 3 0 3.4-2 0 0 9电气用热固性树脂工业硬质层压板第4部分环氧树脂硬层压板标准生产的环氧玻璃布层压板2。该类板材可以方便的机械加工成各类零件,相比模压成型的材料,板材成型零件时无需开模,在品种多样、批量不大的应用场景中,其生产周期
8、、成本都占有绝对优势,使用价值最高。其次,E P G C 2 0 4在 垂 直 层 向 弯 曲 强 度 常 态 下 可 达3 4 0MP a以 上、1 5 0下 垂 直 层 向 弯 曲 强 度 保 持 率 可 达5 0%以上、高湿度下电气性能稳定(浸水后绝缘电阻可达5*1 0 4M以上),同时具有良好的阻燃性(V-0级)。因此在多品种、小批量,有耐高温、绝缘和阻燃要求的机械、电器等设备中应用广泛,如轨道交通、工程机械、船舶、风电、光伏等装备领域,使用频率非常高,备受工程应用团队青睐。E P G C 2 0 4在装配使用过程中有三种连接方式:机械连接、胶接和混合连接(机械紧固和胶接的混合使用)3
9、。其中机械连接主要可以分为铆接和螺栓连接,而螺栓连接以其传递载荷大、便于重复拆装等诸多优点成为最主要的连接形式之一4。然而,通过螺栓连接就会引起被连接件上的应力集中,当被连接件上的应力超过材料本身的承受极限时,就会引发结构失效的问题。E P G C 2 0 4环氧玻璃布层 压 板 的 失 效 模 式 主 要 是 基 体 开 裂、纤 维 断 裂、分层等5。而在实际装配过程中,螺栓紧固后发生基体开裂的频率最高;同时,基体开裂后,肉眼就能看到裂纹,很容易引发客户的不满和投诉;其次,该问题发生后无法找到根本原因,在应用项目团队内容易出现观点对立,工艺人员认为是结构设计者在零件设计时几何参数(宽径比W/
10、D,端径比E/D,参数定义如图1)选择不合理导致,结构设计人员则抱怨工艺端的紧固扭矩过大。因此很有必要研究E P G C 2 0 4材料螺栓连接时几何参数对基体开裂的影响,找到避免基体开裂的临界几何参数。图1 几何参数定义2 几何参数为了得到避免基体开裂的临界几何参数,采用数值模拟的方式,在不同几何参数下计算零件的应力,建立几何参数与E P G C 2 0 4螺栓连接时的应力关系,通过应力来判31DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0182 0 2 3年第8期断是否会引发零件基体开裂。在零件设计时考虑的几何参数主要是宽径比W/D和端径比E/D,因此重点聚
11、焦这两个参数,寻找临界宽径比和临界 端 径 比。而 孔 径D是 由 螺 栓 大 小 决 定 的,在E P G C 2 0 4零件的实际设计使用过程中,为了参数的简统化,孔径一般比螺栓直径大1 mm,因此只要螺栓型号确定了,孔径也确定。同时,螺栓大小也决定了标准紧固扭矩,即零件所受的紧固扭矩也由螺栓型号确定。此处,选择M 8螺栓,孔径确定为9 mm,预紧力为8 0 0 0 N,零件的厚度固定为3 0 mm。从而在数值模拟计算时只需改变零件的宽度W就可以得到不同的宽径比,只需改变零件的端距E就可以得到不同的端径比。仿真计算时按表1设置不同宽径比,按表2设置不同端径比。表1 不同宽径比参数W 1/D
12、W 2/DW 3/DW 4/DW 5/DW 6/D24681 01 2表2 不同端径比参数E 1/DE 2/DE 3/DE 4/DE 5/DE 6/D1234563 仿真计算在有限元软件中建立E P G C 2 0 4零件螺栓连接仿真模型,设置对应的材料参数及预紧力,分别对不同宽径比、不同端径比模型进行仿真,得到对应模型的应力,建立宽径比W/D与E P G C 2 0 4螺栓连接时所受应力的关系函数及曲线、端径比E/D与E P G C 2 0 4螺栓连接时所受应力的关系函数及曲线,找到临界宽径比和端径比。在计算不同宽径比的应力应变时,零件端距E固定为4 5mm;在计算不同端径比的应力应变时,零
13、件宽度W固定为9 0mm。3.1 宽径比与应力关系当宽径比为2时,也就是W的值为1 8 mm,模拟计算出零件的最大应力为4 8 2MP a。图2 宽径比为2时零件所受应力当宽径比为4时,也就是W的值为3 6 mm,仿真计算出零件的最大应力为4 3 2MP a。图3 宽径比为4时零件所受应力图4 宽径比为6时零件所受应力当宽径比为6时,也就是W的值为5 4 mm,模拟计算出零件的最大应力为3 9 1MP a。当宽径比为8时,也就是W的值为7 2 mm,模拟计算出零件的最大应力为3 6 4MP a。图5 宽径比为8时零件所受应力当宽径比为1 0时,也就是W的值为9 0 mm,模拟计算出零件的最大应
14、力为3 5 1MP a。图6 宽径比为1 0时零件所受应力当宽径比为1 2时,也就是W的值为1 0 8 mm,模拟计算出零件的最大应力为3 3 8MP a。图7 宽径比为1 2时零件所受应力通过仿真计算得出了不同宽径比下对应的应力值,如表3所示。表3 不同宽径比的应力值宽径比(W/D)24681 01 2应力(MP a)4 8 24 3 23 9 13 6 43 5 13 3 8 将表3中的数据拟合成一条曲线,如图8所示,得到宽径比与应力的关系函数,通过该函数反向求出基体开裂时临界应力下的宽径比,该宽径比即为临界宽径比。根据E P G C 2 0 4材料特性,取其临界应力为3 4 0MP a,
15、计算出的临界宽径比约为1 1.7,即孔径为9 mm时,零件的临界宽度为1 0 5.3 mm,此 时 零 件 所 受 的 应 力 达 到 材 料 的 临 界应力。图8 宽径比与应力关系曲线41内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n3.2 端径比与应力关系当端径比为1时,也就是E的值为9 mm,模拟计算出零件的最大应力为4 8 3MP a。图9 端径比为1时零件所受应力当端径比为2时,也就是E的值为1 8 mm,模拟计算出零件的最大应力为4 3 9MP a。图1 0 端径比为2时零件所受应力当端径比为3时,也就是E的值为2 7 mm,模拟计算出零件的最大应力为4 0 7MP a。图1
16、 1 端径比为3时零件所受应力当端径比为4时,也就是E的值为3 6 mm,模拟计算出零件的最大应力为3 7 3MP a。图1 2 端径比为4时零件所受应力当端径比为5时,也就是E的值为4 5 mm,模拟计算出零件的最大应力为3 5 1MP a。图1 3 端径比为5时零件所受应力当端径比为6时,也就是E的值为5 4 mm,模拟计算出零件的最大应力为3 3 0MP a。通过仿真计算得出了不同端径比下对应的应力值,如下表4所示。图1 4 端径比为6时零件所受应力表4 不同端径比的应力值端径比(E/D)123456应力(MP a)4 8 34 3 94 0 73 7 33 5 13 3 0 同样,将表4中的数据拟合成一条曲线,如下图1 5所示,得到端径比与应力的关系函数,通过该函数反向求出基体开裂时临界应力下的端径比,该端径比即为临界端径比。同 样 根 据E P G C 2 0 4材 料 特 性,取 其 临 界 应 力 为3 4 0MP a,计算出的临界端径比约为5.5,即孔径为9 mm时,零件的临界端距为4 9.5 mm,此时零件所受的应力达到材料的临界应力。4 结论通过有限元仿真计算,建立
