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飞机结构疲劳和断裂分析中若干问题的研究

李亚智  
【摘要】: 本论文研究飞机结构疲劳和损伤容限分析中的若干问题,按研究的对象(材料、结构)可以大致划分为三个组成部分:复合材料层压结构疲劳分析,第一章~第三章;金属结构断裂分析,第四、五章;座舱盖玻璃撞击损伤的断裂分析,第六章。论文各章的主要工作有: (1)以疲劳模量概念为基础,建立累积应变损伤模型。考虑了层压板中单向层面内多轴应力和平均应力的影响,在已知单向板在确定应力比下受典型单轴循环应力的S-N曲线的基础上,预测任意铺叠次序层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命。将该模型与结构应力分析和强度计算相结合,设计了相应的疲劳寿命与剩余强度计算流程和程序。 (2)以碳纤维/树脂基T300/QY8911复合材料层压结构为研究对象,进行了七种多向层压板的拉伸强度和拉—拉疲劳寿命的试验,并用上述算法进行理论预测。通过自由边层间应力的计算结果,定性讨论了分层扩展对层压板疲劳寿命的影响。进行了带孔层压板在拉—压疲劳载荷下的疲劳模拟,预测结果与有关文献提供的实测结果符合良好。 (3)将Iosipescu剪切强度试验方法推广到剪切疲劳,对π/4准各向同性层压板试件进行了剪切疲劳试验。用本文开发的疲劳分析程序预测了被试多向层压板的剪切强度和疲劳寿命,模拟了局部疲劳失效演变的过程。 (4)提出了一种金属结构剩余强度的简单估算方法。只要对给定裂纹尺寸确定出线弹性断裂强度和净截面屈服强度,就能方便地估算出剩余强度。已将这种方法成功地用于含裂纹耳片结构的剩余强度许用值的估算,在含中心裂纹的有限宽板的剩余强度估算中也得到了满意的结果。 (5)基于位移协调的铆钉力法分析加筋结构裂纹的应力强度因子和剩余强度。发现和修正了有关文献中的一些错误,重新建立了断裂筋条弯曲修正的公式和位移协调方程,编制了相应的计算程序,根据计算结果探讨了断裂筋条和筋条弯曲对蒙皮裂纹的影响,指出了有的文献上给出的计算曲线存在的谬误。 探讨了含裂纹型材筋条的应力强度因子计算。考虑型材上含裂纹板条以外的其余部分的弯曲刚度对含裂纹板条的作用,形成改进的准三维模型,并编制出相应的有限元分析程序。通过角材筋条的实例计算,指出了以往的分析方法特别是准三维模型的分析结果的不合理性,利用改进的准三维模型获得了裂纹延伸并经过拐点的应力强度因子的连续曲线。 (6)进行MDYB-3座舱盖有机玻璃撞击损伤剩余强度和疲劳裂纹扩展试验,发现撞击损伤引致的疲劳裂纹的扩展规律与理想的表面裂纹明显不同。提出按剩余 西北工业大学博士学位论文:飞机结构疲劳和断裂分析中若干问题的研究 强度等效和按疲劳寿命等效两种途径将撞击损伤当量化为表面裂纹,并根据有限 的试验结果进行了尝试,得到了一些初步结果。


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