Cómo mejorar la conexión de diseño de pernos

Cómo mejorar la conexión de diseño de pernos

La conexión atornillada es la forma principal de conexión y el centro de transferencia de fuerza de la estructura de material compuesto avanzado, pero también es el eslabón débil de la estructura, que determina la capacidad de carga de la estructura general, así como la integridad, seguridad [1]. Por lo tanto, una de las claves del diseño estructural de materiales compuestos avanzados es el diseño de conexiones atornilladas. El diseño estructural integral está severamente limitado por el diseño de la resistencia de las conexiones atornilladas [2]. Para lograr un diseño eficiente, es necesario evaluar con precisión la resistencia y el mecanismo de falla de las uniones atornilladas de material compuesto. La teoría del mecanismo de falla y la predicción de la resistencia de las uniones atornilladas de materiales compuestos ha sido un tema de investigación en el campo de la mecánica estructural de materiales compuestos [3-5].

Sin embargo, después de haber realizado una evaluación precisa de la capacidad de carga de las uniones atornilladas compuestas, se encontró que la mejor eficiencia de carga (definida como la relación entre la capacidad de carga máxima de las partes unidas y la capacidad de carga máxima de los laminados) que se puede lograr con las uniones atornilladas compuestas de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) es sólo del 40% al 50%, Es decir, no importa lo excelente que sea el rendimiento del material, la capacidad de carga de la estructura compuesta avanzada se reduce a más de la mitad debido a la presencia de conexiones atornilladas [1-2]. En comparación, la eficiencia de carga de las uniones atornilladas en estructuras metálicas es del 70% al 80%[1-2], como se muestra en la figura 1 [6], por lo que las ventajas de reducción de peso de los materiales compuestos avanzados sobre los materiales metálicos se reducen significativamente. Como se puede ver, las partes débiles de la unión de pernos son un cuello de botella para el diseño ligero de la estructura con materiales compuestos avanzados. La eficiencia de carga de la conexión de pernos de elevación es un problema urgente para resolver en aplicaciones de materiales compuestos avanzados.

Actualmente, materiales compuestos para cerrar la conexión que mejora la capacidad de investigación incluye dos aspectos: por UN lado, el análisis geométrico, poner la capa juegues, toca, con diferencias, tornillos de parámetros tales como el diseño de materiales compuestos para cerrar la conexión de la influencia, a través de parámetros de conexión a optimizar el diseño de cartucho de capacidad; Por otro lado, el desarrollo de métodos de diseño de refuerzo integral o parcial de uniones atornilladas de materiales compuestos, reforzando o liberando tensiones en las partes del agujero del perno para mejorar la resistencia a la rotura de las uniones atornilladas, así como la eficiencia de carga. El objetivo de este artículo es presentar un resumen detallado de los métodos existentes para el diseño de refuerzos de unión de cerrojo compuesto, así como un análisis de los métodos de evaluación de los efectos del diseño de refuerzos. Finalmente, resuma los problemas de las investigaciones existentes y sugiere posibles direcciones para el futuro.

01 unión de perno de material compuesto

Una unión de atornillado de material compuesto típico se muestra en la figura 2. La anisotropía, la fragilidad de los materiales compuestos y su estructura laminada dan lugar a un comportamiento de fractura complejo en las uniones atornilladas de materiales compuestos, así como a una variedad de modos de falla [7]. Los principales modos de falla de los laminados en las uniones atornilladas de materiales compuestos incluyen tracción, cizallamiento, extrusión y los modos de falla combinados que forman. Como se muestra en la figura 3, la ruptura por tracción y cizaña es un modo de falla repentino que causa una pérdida instantánea de la capacidad de carga de la estructura, mientras que la ruptura por compresión es un modo de falla gradual debido a una ruptura local que puede evitar causar un daño catastrófico a la estructura y es el modo de falla deseado en el diseño. Por lo tanto, el diseño reforzado de las uniones atornilladas de material compuesto debe considerar no solo la mejora de la resistencia a la rotura, sino también el modo de falla. Por lo tanto, el método óptimo de diseño de refuerzo de uniones atornilladas debe mejorar la resistencia a la rotura de uniones atornilladas, siempre que se garantice la rotura por extrusión o su modo de falla dominante.

La falla por extrusión de las uniones atornilladas de materiales compuestos se puede resumir como un proceso de acumulación de daños por compresión y se puede dividir en cuatro etapas: inicio del daño, extensión del daño, rotura local y rotura estructural. Las principales características de la falla de extrusión incluyen microflexión de la fibra, agrietamiento de la matriz, delaminación y agrietamiento por cizallamiento fuera de la cara. Además, la fuerza de extrusión y el modo de falla están correlacionados con el confinamiento lateral (es decir, la precarga aplicada por los sujetadores, como se muestra en la figura 4) y la "tenacidad" del laminado compuesto [8].