復合材料機械連接失效分析及強度影響因素研究.pdf

1、航空結(jié)構(gòu)中存在大量螺栓連接，螺栓對航空結(jié)構(gòu)的安全和效率有著至關(guān)重要的作用。復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗并依賴大量的試驗。由于復合材料主要結(jié)構(gòu)都采用大量螺栓進行連接，這便需要進行大量試驗以保證安全和結(jié)構(gòu)效率。為降低試驗費用并保證結(jié)構(gòu)的效率和安全，本文擬采用先進的有限元分析軟件及數(shù)值模擬方法對航空結(jié)構(gòu)中的螺栓連接進行全面研究。對復合材料機械連接特性研究的目的只有一點：即連接強度和連接效率。失效判斷是預測連接強度的基礎(chǔ)，釘載分配研究是

2、估算多釘強度的前提，論文針對復合材料連接設(shè)計工作者所關(guān)心的問題，從多方面開展了有益的研究。這些研究內(nèi)容及連接設(shè)計技術(shù)的發(fā)展對顯著地減少試驗費用和開發(fā)時間，把復合材料用到飛機結(jié)構(gòu)的主要部件中，提高連接效率從而減輕飛機重量，提高飛機安全性有很大實用價值。 論文主要工作及研究成果(創(chuàng)新)如下： 1、第一章主要分析了國內(nèi)外復合材料機械連接研究現(xiàn)狀，重點介紹了歐盟資助的BOJCAS計劃(BOLTEDJOINTSINCOMPOSIT

3、EAIRCRAFTSTRUCTURES)的研究目標，BOJCAS計劃是一個支撐大型商務(wù)飛機主要材料使用復合材料的關(guān)鍵技術(shù)。通過了解這一計劃的研究內(nèi)容并查閱了大量國內(nèi)外近幾年發(fā)表的相關(guān)論文，并結(jié)合國內(nèi)主機廠所課題要求，確定出本論文的研究內(nèi)容。 2、第二章介紹了復合材料機械連接的特點及破壞模式，簡要介紹了復合材料破壞機理以及螺栓連接強度預測方法。對于多釘連接問題，提出兩種計算釘載分配的有限元方法，一種是通過建立兩被連接件釘孔邊位移協(xié)

4、調(diào)方程組求解釘載；另一種是采用接觸問題有限元求解釘載比例及釘載分布。對單釘連接本文提出兩種強度估算數(shù)值方法，一種是在傳統(tǒng)特征曲線法基礎(chǔ)上改進的不倚賴于試驗的完全數(shù)值特征曲線法，這一改進減少了試驗費用，使方法更具普遍性；另一種是基于累積損傷的接頭強度估算方法，該方法以Hashin失效準則為依據(jù)，通過被連接件損傷過程的精確模擬結(jié)合本文揭層試驗結(jié)果及資料中給出的試件損傷情況對比，提出改進的Hashin失效準則及相應(yīng)的剛度退化模型。 3

5、、第三章針對單釘連接強度問題，采用數(shù)值模擬有限元方法計算了釘孔接觸力分布、孔邊應(yīng)力分布及單釘連接極限強度。分析了復合材料鋪層比例對釘孔邊應(yīng)力分布的影響，結(jié)合試驗結(jié)果揭示了不同鋪層的孔邊應(yīng)力分布規(guī)律，為進一步的接頭強度估算累積損傷模型建立提供了理論依據(jù)。對于單釘連接強度，分別采用逐步損傷分析法和特征曲線法計算了單釘連接強度，并與試驗結(jié)果進行了對比，所得計算結(jié)果的精度令人滿意。本文針對航空結(jié)構(gòu)中常用的埋頭釘與凸頭釘連接問題，首次采用三維接觸

6、有限元進行了數(shù)值模擬，分析了兩種釘頭對孔邊應(yīng)力分布的影響，從應(yīng)力分布情況揭示出層合板接頭可能的拉脫失效模式。 4、第四章開展了多釘連接載荷分配及影響因素研究，首先介紹了本文所涉及的試驗情況及試件參數(shù)，以一列三釘為例，分別采用二維有限元模型和三維有限元模型，對各種鋪層比例的層合板進行了釘載比例分析及試驗結(jié)果對比，證明二維及三維模型在計算釘載比例時均有效；在此基礎(chǔ)上利用Nastran有限元軟件建立起基于間隙單元的二維有限元接觸模型，

7、分析了一列多釘與花排連接共十種釘排列方式的釘載分配比例；對于不同搭接型式的影響研究，建立了三維有限元接觸模型，根據(jù)試驗件參數(shù)計算了一列多釘單搭接、雙搭接和階梯搭接時的釘載比例，分析了搭接方式、小釘間距、沉頭螺栓鑊窩等細節(jié)對螺栓載荷分配的影響。 5、針對工程中大量存在的多釘連接問題，采用Marc建立了三維有限元接觸模型，對埋頭釘與凸頭釘、螺栓預緊力、單搭接與雙搭接等細節(jié)對連接強度的影響進行了研究。重點通過研究釘載與旁路載荷的單獨作