[发明专利]一种复合材料用单边抽钉铆钉结构及其设计方法

权利要求书

1.一种基于复合材料连接用单边抽钉铆钉的结构设计方法，包括以下步骤：

步骤一：复合材料层合板连接接头的初步设计：

设计紧固件尺寸结构时，首先确定层合板所需要连接孔径尺寸，设所需复合材料板孔径为D₀，紧固件连接可接受破坏模式为挤压破坏，因此根据复合材料设计手册要求，需满足层合板端径比e/D₀≥3，宽径比w/D₀≥4的设计尺寸，同时要满足孔径和连接板厚度比值为1≤(D₀/t)≤2；

假设所需要连接复合材料板单板板厚为t/2，则两板连接总厚度为t，复合材料板孔径为D₀；确定好连接接头尺寸，则可以设计衬套相关尺寸；紧固件连接干涉量以来定义，因此单边抽钉铆钉钉孔相对干涉量其中膨胀衬套内径为d，外径为D，钉体外径为D₂，同时钉体前端起扩张膨胀套作用的部分，其倒角为a；

步骤二：膨胀衬套尺寸设计：

1)衬套外径尺寸设计

复合材料板孔径为D₀，便于衬套安装时嵌入孔内，设膨胀衬套外径为d1，衬套初始与孔间隙配合，配合公差为+0.1/0mm；

2)衬套壁厚尺寸设计：

根据复合材料干涉配合连接损伤力学研究，按照结构力学与材料力学评价，选取适宜干涉量I，设膨胀衬套壁厚为h₁，得到膨胀衬套内径为d＝D-2h₁；

3)衬套端部折角尺寸设计：

已知被连接板总厚度为t，膨胀衬套总长度为L，取膨胀衬套左端面凸台厚度为S，L₁等于膨胀衬套中间段长度；M为膨胀衬套左端面到中间段末端长度，即M＝S+L₁；为了形成端部向内折角，设膨胀套连接段伸出板厚所需的长度为f1，则f1＝M-S-t，折角段长度为f2，则f2＝L-M，角度为a₁；步骤三：钉体尺寸设计：

1)钉体外径尺寸设计：

复合材料板孔径为D₀，膨胀衬套内径d，根据选择的连接相对干涉量为I，计算得出钉体外径D₂；

2)钉体内径尺寸设计：

取钉体壁厚为h₂，则钉体内径D₁＝D₂-2h₂；钉体前端过渡段部分长度为L₂,L₃为钉体总长度，L₄为钉体左端面到中间段末端长度，则L₂＝L₃-L₄，角度为a；步骤四：螺母及芯杆尺寸设计：

1)带螺纹芯杆尺寸设计：

芯杆与钉体间隙配合，芯杆头部直径D＝D₀，其次根据长径比要求，设计满足连接部分尺寸，总长度设为C；

2)驱动螺母尺寸设计：

根据上述设计的芯杆螺纹尺寸，选择与芯杆尾端螺纹相配的驱动螺母；

步骤五：对初步设计的单边抽钉铆钉结构尺寸进行优化确定：

1)利用ABAQUS建立三维模型：纤维增强复合材料采用实体建模，并调用三维Hashin损失起始准则对复合材料的损伤破坏进行模拟，单边抽钉铆钉各零部件采用实体建模；

2)连接结构的边界条件，由于是初步设计的紧固件，因此在模拟时主要分析其干涉安装完成效果及各零部件承受应力状态；

3)连接结构的网格划分，为减小网格质量对计算结果的影响，对孔周区域以及各零部件进行网格细化，远离连接区域网格粗化；

4)确定优化参数、约束条件及目标函数：

优化参数为衬套壁厚h1、衬套折角长度f2及角度、钉体过渡段长度及角度；

约束条件为：

(σ₂₂/Y_T)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₂₃/S₂₃)²1

(σ₂₂/Y_c)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₂₃/S₂₃)²1

(σ₁₁/X_c)²1

(σ₁₁/X_T)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₁₃/S₁₃)²1

(σ₁₁/X_c)²+(σ₁₂/S₁₂)²+(σ₁₃/S₁₃)²1

(σ₃₃/Z_c)²+(σ₁₃/S₁₃)²+(σ₂₃/S₂₃)²1，

目标函数为：预紧力f及各零部件的应力应变状态；

其中，σ₁₁、σ₁₂、σ₁₃、σ₂₂、σ₂₃、σ₃₃分别为复合材料1方向应力、12平面剪切应力、13平面剪切应力、2方向应力、23平面剪切应力、3方向应力；X_T、X_C、Y_T、Y_C、Z_C、S₁₂、S₁₃、S₂₃分别代表复合材料1方向拉伸极限强度，1方向压缩极限强度、2方向拉伸极限强度、2方向压缩极限强度、3方向压缩极限强度、12平面剪切极限强度、13平面剪切极限强度、23平面剪切极限强度；

经过多次模拟得到在满足所选零部件材料强度条件下，不超过膨胀衬套屈服强度σ_b前提下，找出衬套壁厚h1；以及衬套折角与连接段满足n₁：n₂比例关系；

所述复合材料用单边抽钉铆钉结构，包括芯杆(1)，所述芯杆(1)的端部设有T型头部(6)，所述芯杆(1)的中心处开设有螺纹，所述芯杆(1)侧壁分为芯杆光杆段(5)、芯杆螺纹段(7)和夹持段(8)，所述芯杆(1)外套设有钉体(3)，所述钉体(3)两侧分别设有衬套(2)和驱动螺母(4)，所述衬套(2)外设有复合材料夹层板(14)；所述衬套(2)的内径小于所述钉体(3)的外径，两者尺寸相差满足设计干涉量I；所述钉体(3)为中空圆柱形孔结构，与所述芯杆(1)为间隙配合，所述钉体(3)两端分别设有钉体凸台面(10)和钉体圆弧(11)，所述钉体(3)靠近所述钉体圆弧(11)的位置设有钉体倒角(9)；所述衬套(2)两端分别设有衬套凸台面(12)和端部锥面(13)。