碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度及主要影響因素分析.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其比強(qiáng)度高、比剛度高，燒蝕性能好，因此一直廣泛用于航天航空領(lǐng)域。隨著制備工藝的日益成熟，碳纖維復(fù)合材料逐步由軍用領(lǐng)域轉(zhuǎn)向工業(yè)及民用領(lǐng)域，如汽車制造業(yè)、建筑業(yè)和運(yùn)動(dòng)休閑產(chǎn)品等。這種被稱作“黑色黃金”的復(fù)合材料在未來民用領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V泛的應(yīng)用前景。在碳纖維復(fù)合材料的大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，接頭是不可缺少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。碳纖維復(fù)合材料為脆性材料且各向異性，同時(shí)復(fù)雜多樣的纖維結(jié)構(gòu)形式與連接參數(shù)使碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2、比傳統(tǒng)金屬連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜很多。一般接頭的類型有機(jī)械連接、膠接和膠螺混合連接三種。機(jī)械連接具有較好的可拆卸性、易檢修、對(duì)界面要求低且對(duì)使用環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械連接形式被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料的連接結(jié)構(gòu)中。在眾多碳纖維復(fù)合材料中，碳/碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的超高溫性能，從而使其在防熱結(jié)構(gòu)中得以廣泛應(yīng)用；三維六向編織復(fù)合材料具有優(yōu)異的層間性能，而關(guān)于這兩類碳纖維復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的研究尚不充分。據(jù)此確立了本文的研究內(nèi)容，即分別以碳/碳復(fù)合

3、材料和三維六向編織復(fù)合材料這兩種碳纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究其機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，為此類碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，對(duì)碳/碳復(fù)合材料開孔(開口)板這一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型在拉伸載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)測試分析，獲得碳/碳復(fù)合材料開孔板的拉伸強(qiáng)度，揭示碳/碳復(fù)合材料開孔板的失效是由拉伸引起的纖維斷裂造成。同時(shí)基于點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則，建立數(shù)值模擬分析模型，預(yù)報(bào)碳/碳復(fù)合材料

4、開孔結(jié)構(gòu)的極限破壞載荷，獲得開孔結(jié)構(gòu)的拉伸特征長度。最后在驗(yàn)證數(shù)值模型有效性之后，利用該分析模型對(duì)碳/碳復(fù)合材料開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，獲得該材料對(duì)缺口不敏感。
　　然后，為了進(jìn)一步分析碳/碳復(fù)合材料的擠壓強(qiáng)度，對(duì)單螺栓連接雙剪搭接這一連接結(jié)構(gòu)形式的擠壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，得到側(cè)向約束對(duì)擠壓強(qiáng)度的影響，同時(shí)獲得不同連接結(jié)構(gòu)形式下的破壞模式；揭示連接結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。建立基于Hashin破壞準(zhǔn)則及粘接單元的漸進(jìn)損傷分析模型，通過與試驗(yàn)的對(duì)比確

5、定了數(shù)值模型的可靠性后，對(duì)雙剪連接結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括幾何參數(shù)和預(yù)緊力)進(jìn)行模擬分析，給出雙剪搭接連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考值。
　　接著，基于雙剪搭接連接結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)一步對(duì)碳/碳復(fù)合材料單(多)螺栓單剪搭接連接結(jié)構(gòu)在面內(nèi)拉伸載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行測試分析。由于單剪連接結(jié)構(gòu)形式的原因，造成加載過程中出現(xiàn)二次彎曲現(xiàn)象，使連接結(jié)構(gòu)的破壞載荷比雙剪連接結(jié)構(gòu)低。分析側(cè)向約束、幾何參數(shù)和連接形式對(duì)其破壞模式及破壞載荷的影響規(guī)律，進(jìn)而測試分析單排雙列與雙排

6、單列兩種多螺栓連接結(jié)構(gòu)的破壞載荷，建立單剪連接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型。隨后對(duì)單剪搭接連接結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)連接結(jié)構(gòu)承載能力的影響進(jìn)行討論分析，獲得單剪搭接連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾何參考值。
　　最后，對(duì)三維六向編織復(fù)合材料單(多)螺栓單剪連接結(jié)構(gòu)形式在拉伸載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，給出螺栓連接結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束面積與預(yù)緊力的大小對(duì)連接結(jié)構(gòu)最終力學(xué)性能影響；確立其連接結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理?；谔卣髑€及Yamada-sun的有限元分析方法，對(duì)三維六向編