復(fù)合材料層合板螺栓連接擠壓性能表征分析及夾具研究.pdf

1、隨著纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域內(nèi)已由最初的非承力結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展成為主承力結(jié)構(gòu)。但研究表明：當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生失效與破壞時(shí)，60-80％均出現(xiàn)在連接處。因此，復(fù)合材料部件間的連接設(shè)計(jì)，特別是被廣泛采用的螺栓連接設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。由于連接時(shí)層合板開(kāi)孔周圍的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效模式復(fù)雜而多樣。一直以來(lái)，如何合理地確定螺栓連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用值，提高復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的研究熱點(diǎn)。

2、因此，對(duì)比分析層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，建立宏-細(xì)觀相結(jié)合的數(shù)值分析方法，準(zhǔn)確地測(cè)試并表征分析層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)的擠壓性能，對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的安全可靠設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文從試驗(yàn)與數(shù)值分析兩個(gè)方面出發(fā)，首先，針對(duì)現(xiàn)有的層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，明確科學(xué)合理的測(cè)試方法，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)的擠壓性能；其次，結(jié)合改進(jìn)的通用單胞模型（通用單胞

3、模型即：Generalized Method of Cells——GMC），建立層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)的宏-細(xì)觀漸進(jìn)損傷數(shù)值分析方法，從細(xì)觀角度揭示連接結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，開(kāi)展層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能影響因素的研究；最后，表征分析測(cè)試夾具對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響并進(jìn)行測(cè)試夾具的改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究，具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1、開(kāi)展層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法的試驗(yàn)研究與分析。根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5961，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7559和航空標(biāo)

4、準(zhǔn)HB7070，進(jìn)行層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)的擠壓性能測(cè)試試驗(yàn)；在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)比分析了HB7070、GB7559、ASTM D5961-A三種復(fù)合材料層合板雙剪搭接螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，給出了ASTM D5961-A測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量精度高的原因，同時(shí)揭示了單剪擠壓強(qiáng)度值較雙剪擠壓強(qiáng)度值偏低的機(jī)理。
　　2、建立層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的宏-細(xì)觀數(shù)值分析方法。結(jié)合改進(jìn)的GMC模型，建立復(fù)合材料宏觀性能與細(xì)觀組份材料性能之間的關(guān)系；

5、基于通用有限元分析軟件及其用戶自定義子程序?qū)崿F(xiàn)考慮細(xì)觀組分材料性能的層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能宏-細(xì)觀漸進(jìn)損傷分析；研究網(wǎng)格的劃分方式、組分材料的失效準(zhǔn)則以及材料性能的衰減因子對(duì)數(shù)值分析結(jié)果的影響，并將分析預(yù)報(bào)結(jié)果與宏觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證并得以修正模型的準(zhǔn)確度，為后續(xù)的層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能的表征分析及測(cè)試夾具的改進(jìn)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　　3、進(jìn)行單釘雙剪層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)性能的表征分析及測(cè)試夾具研究。針對(duì)ASTM D5961

6、-A測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，建立考慮細(xì)觀組分材料性能的單釘雙剪層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能的宏-細(xì)觀漸進(jìn)損傷數(shù)值分析模型。基于該模型，針對(duì)復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸試驗(yàn)，給出了復(fù)合材料層合板的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓性能的影響規(guī)律，其初始強(qiáng)度模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。
　　4、進(jìn)行單釘單剪層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)性能的表征分析及測(cè)試夾具研究。根據(jù)ASTM D5961-B測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行單釘單剪層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)的擠壓性能測(cè)試，將其測(cè)