復(fù)合材料機(jī)械連接失效分析及強(qiáng)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(duì)航空結(jié)構(gòu)的安全和效率有著至關(guān)重要的作用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)并依賴大量的試驗(yàn)。由于復(fù)合材料主要結(jié)構(gòu)都采用大量螺栓進(jìn)行連接，這便需要進(jìn)行大量試驗(yàn)以保證安全和結(jié)構(gòu)效率。為降低試驗(yàn)費(fèi)用并保證結(jié)構(gòu)的效率和安全，本文擬采用先進(jìn)的有限元分析軟件及數(shù)值模擬方法對(duì)航空結(jié)構(gòu)中的螺栓連接進(jìn)行全面研究。對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接特性研究的目的只有一點(diǎn)：即連接強(qiáng)度和連接效率。失效判斷是預(yù)測(cè)連接強(qiáng)度的基礎(chǔ)，釘載分配研究是

2、估算多釘強(qiáng)度的前提，論文針對(duì)復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)工作者所關(guān)心的問(wèn)題，從多方面開(kāi)展了有益的研究。這些研究?jī)?nèi)容及連接設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展對(duì)顯著地減少試驗(yàn)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)時(shí)間，把復(fù)合材料用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要部件中，提高連接效率從而減輕飛機(jī)重量，提高飛機(jī)安全性有很大實(shí)用價(jià)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(guó)內(nèi)外復(fù)合材料機(jī)械連接研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了歐盟資助的BOJCAS計(jì)劃(BOLTEDJOINTSINCOMPOSIT

3、EAIRCRAFTSTRUCTURES)的研究目標(biāo)，BOJCAS計(jì)劃是一個(gè)支撐大型商務(wù)飛機(jī)主要材料使用復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)了解這一計(jì)劃的研究?jī)?nèi)容并查閱了大量國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)表的相關(guān)論文，并結(jié)合國(guó)內(nèi)主機(jī)廠所課題要求，確定出本論文的研究?jī)?nèi)容。 2、第二章介紹了復(fù)合材料機(jī)械連接的特點(diǎn)及破壞模式，簡(jiǎn)要介紹了復(fù)合材料破壞機(jī)理以及螺栓連接強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法。對(duì)于多釘連接問(wèn)題，提出兩種計(jì)算釘載分配的有限元方法，一種是通過(guò)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(wèn)題有限元求解釘載比例及釘載分布。對(duì)單釘連接本文提出兩種強(qiáng)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(jìn)的不倚賴于試驗(yàn)的完全數(shù)值特征曲線法，這一改進(jìn)減少了試驗(yàn)費(fèi)用，使方法更具普遍性；另一種是基于累積損傷的接頭強(qiáng)度估算方法，該方法以Hashin失效準(zhǔn)則為依據(jù)，通過(guò)被連接件損傷過(guò)程的精確模擬結(jié)合本文揭層試驗(yàn)結(jié)果及資料中給出的試件損傷情況對(duì)比，提出改進(jìn)的Hashin失效準(zhǔn)則及相應(yīng)的剛度退化模型。 3

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

6、有限元進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了兩種釘頭對(duì)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(kāi)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(yàn)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(duì)各種鋪層比例的層合板進(jìn)行了釘載比例分析及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明二維及三維模型在計(jì)算釘載比例時(shí)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(duì)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(yàn)件參數(shù)計(jì)算了一列多釘單搭接、雙搭接和階梯搭接時(shí)的釘載比例，分析了搭接方式、小釘間距、沉頭螺栓鑊窩等細(xì)節(jié)對(duì)螺栓載荷分配的影響。 5、針對(duì)工程中大量存在的多釘連接問(wèn)題，采用Marc建立了三維有限元接觸模型，對(duì)埋頭釘與凸頭釘、螺栓預(yù)緊力、單搭接與雙搭接等細(xì)節(jié)對(duì)連接強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。重點(diǎn)通過(guò)研究釘載與旁路載荷的單獨(dú)作