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层合板接头损伤失效与疲劳寿命研究

王丹勇  
【摘要】: 复合材料连接接头是复合材料航空结构中的主要部件,在工作过程中,要求能承受一定的静载荷及疲劳载荷,其损伤失效及疲劳寿命是设计人员关心的问题之一。为充分发挥复合材料结构自身的潜力,一种能适合工程需要的损伤失效及疲劳寿命预测方法仍然是一个重要的研究课题,也是工程界迫切需要解决的关键问题之一。 本文针对以上问题,首先以单层板理论为基础,建立了层合板接头静拉伸及疲劳载荷作用下三维逐渐损伤分析的强度和寿命预测方法。其中:基于载荷及时间增量原理,推导了层合板接头静载及疲劳加载累积损伤应力-应变分析的虚功方程,三维应力分析中考虑了材料1-2面及3-1面上剪切应力应变的非线性效应;以单层板疲劳的刚度退化为基础,并结合正则化疲劳寿命预测方法,推导、建立了复合材料疲劳加载过程剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型;为了判定结构的损伤与整体失效,引入Hashin三维失效准则进行材料的损伤判定,并提出了以纤维断裂损伤形式控制复合材料结构最终破坏的接头最终失效准则以及考虑材料四种损伤基本类型相互关联作用的突然性能退化方法;研究开发了便于工程应用的界面友好、操作方便的仿真分析软件。 其次,对单向层合板及层合板接头进行了大量的试验研究。其中:分别对材料T300/BMP-316单向层合板纵向、横向及面内剪切静载力学性能及疲劳特性进行了试验研究,并采用最小二乘法拟合得到各主方向正则化疲劳寿命表达式,以及单层板各主方向疲劳加载剩余刚度退化表达式及剩余强度退化表达式;试验同时验证了单向层合板1-2面上明显的剪切应力应变非线性关系。层合板接头的试验研究考虑了多种几何尺寸、多种铺层及不同拧紧力矩对其静强度及疲劳性能的影响,同时使用渗透剂增强的X射线图象技术对静载和疲劳损伤扩展及累积过程进行了无损检测,并对其进行了分析探讨。 最后,对各种类型层合板接头静拉伸及拉-拉疲劳载荷作用下的逐渐损伤扩展与失效规律进行了仿真分析,并与试验结果进行了对比,结果表明:本文建立的静强度及寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的强度、寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。


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