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复合材料机械连接失效分析及强度影响因素研究

赵美英  
【摘要】:航空结构中存在大量螺栓连接,螺栓对航空结构的安全和效率有着至关重要的作用。复合材料结构设计主要依靠设计者的经验并依赖大量的试验。由于复合材料主要结构都采用大量螺栓进行连接,这便需要进行大量试验以保证安全和结构效率。为降低试验费用并保证结构的效率和安全,本文拟采用先进的有限元分析软件及数值模拟方法对航空结构中的螺栓连接进行全面研究。对复合材料机械连接特性研究的目的只有一点:即连接强度和连接效率。失效判断是预测连接强度的基础,钉载分配研究是估算多钉强度的前提,论文针对复合材料连接设计工作者所关心的问题,从多方面开展了有益的研究。这些研究内容及连接设计技术的发展对显著地减少试验费用和开发时间,把复合材料用到飞机结构的主要部件中,提高连接效率从而减轻飞机重量,提高飞机安全性有很大实用价值。 论文主要工作及研究成果(创新)如下: 1、第一章主要分析了国内外复合材料机械连接研究现状,重点介绍了欧盟资助的BOJCAS计划(BOLTED JOINTS IN COMPOSITE AIRCRAFTSTRUCTURES)的研究目标,BOJCAS计划是一个支撑大型商务飞机主要材料使用复合材料的关键技术。通过了解这一计划的研究内容并查阅了大量国内外近几年发表的相关论文,并结合国内主机厂所课题要求,确定出本论文的研究内容。 2、第二章介绍了复合材料机械连接的特点及破坏模式,简要介绍了复合材料破坏机理以及螺栓连接强度预测方法。对于多钉连接问题,提出两种计算钉载分配的有限元方法,一种是通过建立两被连接件钉孔边位移协调方程组求解钉载;另一种是采用接触问题有限元求解钉载比例及钉载分布。对单钉连接本文提出两种强度估算数值方法,一种是在传统特征曲线法基础上改进的不倚赖于试验的完全数值特征曲线法,这一改进减少了试验费用,使方法更具普遍性;另一种是基于累积损伤的接头强度估算方法,该方法以Hashin失效准则为依据,通过被连接件损伤过程的精确模拟结合本文揭层试验结果及资料中给出的试件损伤情况对比,提出改进的Hashin失效准则及相应的刚度退化模型。 3、第三章针对单钉连接强度问题,采用数值模拟有限元方法计算了钉孔接触力分布、孔边应力分布及单钉连接极限强度。分析了复合材料铺层比例对钉孔边应力分布的影响,结合试验结果揭示了不同铺层的孔边应力分布规律,为进一


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