復合材料多釘連接強度預測方法及其關鍵技術研究

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1、西北工業(yè)大學博士學位論文（學位研究生）題目：復合材料多釘連接強度預測方法及其關鍵技術研究作者：李想學科專業(yè)：飛行器設計指導教師：謝宗蕻2017年11月Title:Strengthpredictionmethodofmulti-boltcompositejointanditskeytechnologiesByLiXiangUndertheSupervisionofProfessorXieZonghongADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentofthereq

2、uirementForthedegreeofDoctorofFlightVehicleDesignXi’anP.R.ChinaNovember2017摘要摘要復合材料多釘連接是航空航天結構中一種常用的連接形式，由于引入應力集中，連接部位常成為復合材料整體結構中的薄弱環(huán)節(jié)，其連接強度直接影響飛行器的安全和壽命。因此，為充分發(fā)揮復合材料的優(yōu)勢，必須對多釘連接的強度進行預測。目前的多釘連接強度預測方法存在計算過程復雜、預測精度不高等問題，無法滿足現(xiàn)代飛行器對結構設計的要求。高效、低成本的多釘連接強度預測技術的研究對保障飛行器結構的安全，降低結構重量和壽命周期成本，縮短研發(fā)周期等

3、有重要的意義。多釘連接強度預測的關鍵技術主要涉及以下四個方面：1）含孔板強度預測失效準則的選取問題；2）高效、低成本的多釘連接釘載分配分析技術；3）規(guī)則排列多釘連接的強度預測方法；4）非規(guī)則排列復雜釘群連接的強度預測方法。本文針對以上關鍵技術進行研究，主要貢獻和創(chuàng)新點如下：1.研究了旁路載荷和擠壓載荷單獨作用時復合材料含孔板拉伸強度的預測方法。分別采用解析模型和p型有限元技術，選取基于應力和能量耦合的失效準則即有限斷裂力學，提出了預測任意鋪層形式含孔板拉伸型強度的分析模型。模型僅需層壓板的拉伸強度、臨界斷裂韌性等參數(shù)，具有輸入?yún)?shù)少、通用性強的特點。與試驗數(shù)據(jù)的對比表明，

4、本文提出的預測模型能最為有效地預測任意規(guī)格、任意鋪層比例的含孔板拉伸強度。2.研究了高效、低成本的復合材料多釘連接釘載分配分析方法。分別采用解析形式的彈簧質量模型和基于結構單元的p型有限元技術建立了多釘連接釘載分配的低成本分析模型。另外，針對規(guī)則排列復合材料螺接修理的釘載分配問題，通過引入含損傷區(qū)蒙皮等效剛度、螺栓等效剛度以及結構剛度等參數(shù)提出了改進的彈簧質量模型。對多釘連接釘載分配的預測發(fā)現(xiàn)，兩種模型分析結果和試驗數(shù)據(jù)及文獻數(shù)據(jù)吻合較好。3.研究了規(guī)則排列復合材料多釘連接失效強度的預測方法。針對規(guī)則排列多釘連接中典型的拉伸型失效，結合釘載分配比例獲得了各釘孔在擠壓載荷和

5、旁路載荷共同作用時的孔邊應力分布，基于有限斷裂力學提出了失效強度預測的半解析模型。對多釘連接接頭強度的預測發(fā)現(xiàn)，模型預測誤差較小。另外，研究發(fā)現(xiàn)減小首釘?shù)闹睆?、降低首釘?shù)尼斴d比例以及減小接頭寬度等，接頭的拉伸型失效強度均會增加。4.研究了非規(guī)則排列復合材料多釘連接失效強度的預測方法。針對復合材料螺接修理的拉伸強度預測問題，基于有限斷裂力學，結合釘載分配分析技術和兩級模型分析方法提出了一種非規(guī)則排列多釘連接失效強度的預測方法。分析過程采用VB.NET結合p型有限元的二次開發(fā)技術實現(xiàn)。對圓形、長圓形、橢圓形等三種不同損傷形狀的螺接修理結構計算發(fā)現(xiàn)，模型預測的失效模式和失效位置

6、與試驗結果一致，失效強度與試驗數(shù)據(jù)吻合。另外，通過敏度分析發(fā)現(xiàn)，修理結構中損傷孔的失效強度主要取決于補片傳遞的載荷比例，載荷比例越大，損傷孔的失效強度越大；而螺栓孔的失效強度主要取決于I西北工業(yè)大學博士學位論文螺栓大小，螺栓越大，失效強度越小。其次，對長圓形損傷螺接修理，損傷孔的形狀越接近圓形，損傷孔的失效強度越高，反之，損傷孔的形狀越接近狹長型的裂紋，損傷孔的失效強度越低。另外，在垂直于載荷方向的對稱面附近，螺栓承載比例較小，該部分螺栓對修理結構失效強度的貢獻也較小，結構設計中，應盡量避免在該對稱面附近布置螺栓。關鍵詞：復合材料，多釘連接，釘載分配，強度預測，有限斷裂力

7、學，p型有限元IIAbstractAbstractMechanicaljointisoneofthemostimportantloadtransferelementsinthefieldofaeronauticsandastronautics.Inboltedcompositestructures,stressconcentrationsdevelopingaroundtheholeseverelyreducethestrengthofthestructure,whichdirectlyaffectsthesafetyandl