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飞机结构疲劳和断裂分析中若干问题的研究
作 者: 李亚智
导 师: 叶天麒
学 校: 西北工业大学
专 业: 固体力学
关键词: 复合材料层压板 累积损伤 疲劳 金属结构 裂纹 剩余强度 加筋板 筋条 应力强度因子 座舱玻璃 撞击损伤
分类号: V214
类 型: 博士论文
年 份: 2003年
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内容摘要
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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全文目录
前言 8-10 第一章 层压复合材料疲劳寿命估算方法 10-30 1.1 绪论 10-18 1.2 考虑平均应力影响的累积应变损伤模型 18-23 1.3 复杂应力状态下的累积损伤与损伤模式 23-24 1.4 多向层压结构疲劳累积损伤和疲劳寿命的估算方法 24-29 1.5 小结 29-30 第二章 多向层压板条疲劳试验和数值仿真 30-54 2.1 典型应力状态S-N曲线 30-33 2.2 均匀应力状态层压板疲劳寿命的试验测定和理论预测 33-40 2.3 层间应力及其对疲劳寿命的影响 40-45 2.4 带孔板条拉-压疲劳寿命预测 45-52 2.5 小结 52-54 第三章 多向层压板剪切疲劳试验方法与寿命预测 54-72 3.1 复合材料的面内剪切试验方法 54-58 3.2 复合材料层压板剪切疲劳试验 58-61 3.3 多向层压板剪切试件疲劳寿命预测 61-71 3.4 小结 71-72 第四章 含裂纹结构剩余强度的估算方法 72-84 4.1 剩余强度分析一般原理 72-74 4.2 剩余强度分析的简便方法 74-75 4.3 剩余强度估算方法的应用实例与试验验证 75-82 4.4 小结 82-84 第五章 含裂纹加筋结构的断裂分析 84-97 5.1 铆接加筋板蒙皮裂纹的断裂计算 84-91 5.2 型材筋条裂纹的应力强度因子的工程计算 91-96 5.3 小结 96-97 第六章 MDYB-3座舱盖有机玻璃撞击损伤的断裂分析 97-112 6.1 撞击损伤的定义、模拟和几何表征 97-98 6.2 撞击能量与损伤大小的关系 98 6.3 撞击损伤剩余强度 98-102 6.4 MDYB-3玻璃撞击损伤的疲劳特性 102-106 6.5 撞击损伤当量化为初始表面裂纹 106-111 6.6 小结 111-112 全文总结 112-115 致谢 115-116 参考文献 116-120
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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 基础理论及试验 > 航空器结构力学
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