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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

作　者: 赵美英
导　师: 冯元生
学　校: 西北工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 复合材料螺栓连接技术连接强度累积损伤有限元
分类号: V214.8
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

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

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 复合材料发展概况  10-11
  1.2 复合材料机械连接研究现状  11-15
  1.3 本文主要研究内容  15-16
  参考文献  16-20
第二章复合材料连接设计与分析方法  20-48
  2.1 复合材料机械连接的特点及破坏模式  21-22
  2.2 机械连接设计的一般原则  22-24
  2.3 机械连接分析方法  24-29
    2.3.1 接触问题的有限元方法  24-26
    2.3.2 多钉连接钉载分配有限元方法  26-27
    2.3.3 一种基于变形协调的多钉连接钉载计算方法  27-28
    2.3.4 一种基于钉“超元”的多钉连接钉载计算方法  28-29
    2.3.5 多钉钉载分配及孔边应力复势函数分析方法  29
  2.4 单钉连接应力分析与强度估算方法  29-45
    2.4.1 单钉连接应力分析  29-30
    2.4.2 失效准则  30
    2.4.3 确定接头强度的特征曲线法  30-32
    2.4.4 改进的特征曲线法  32-35
    2.4.5 本文对特征曲线法估算接头强度的修正  35-36
    2.4.6 基于累积损伤的接头强度估算方法  36-45
  参考文献  45-48
第三章单钉连接强度分析  48-71
  3.1 孔边应力分析  48-56
    3.1.1 计算模型  48-49
    3.1.2 铺层比例对孔边接触力分布影响  49-50
    3.1.3 铺层比例对孔边应力分布规律影响  50-53
    3.1.4 不同铺层孔边应力分布规律  53-55
    3.1.5 揭层试验  55-56
  3.2 单钉连接强度  56-65
    3.2.1 破坏假定  56-57
    3.2.2 螺栓连接层板损伤分析  57-59
    3.2.3 基于逐步损伤分析法计算的单钉连接强度  59-63
    3.2.4 基于特征曲线法计算的单钉连接强度  63-65
  3.3 层合板接头拉脱失效分析  65-69
    3.3.1 埋头钉计算实例  66-67
    3.3.2 凸头钉计算实例  67-69
  参考文献  69-71
第四章多钉连接载荷分配及影响因素研究  71-89
  4.1 钉载分配计算及与试验结果对比  71-75
    4.1.1 两种计算模型对比  71-73
    4.1.2 铺层比例影响研究  73-74
    4.1.3 紧固件钉头型式影响研究  74-75
  4.2 多钉排列型式对载荷分配影响研究  75-83
    4.2.1 一列多钉排列  75-77
    4.2.2 花排连接载荷分配  77-83
  4.3 搭接型式影响研究  83-88
    4.3.1 单搭接计算实例  83-85
    4.3.2 双搭接计算实例  85-86
    4.3.3 阶梯搭接计算实例  86-88
  参考文献  88-89
第五章多钉连接强度分析  89-106
  5.1 多钉连接强度分析方法  89-93
    5.1.1 经验方法  89-92
    5.1.2 多钉连接强度试验  92-93
  5.2 沉头钉与凸头钉连接强度数值计算  93-95
  5.3 螺栓预紧力对连接强度的影响分析  95-98
  5.4 小钉间距对强度影响分析  98-100
  5.5 钉载与旁路载荷联合作用研究  100-102
  5.6 次弯曲对单剪搭接连接件强度影响研究  102-104
  参考文献  104-106
第六章总结与展望  106-109
  6.1 总结  106-108
  6.2 进一步工作展望  108-109
作者攻读博士学位期间发表的论文  109-112
致谢  112-113

复合材料机械连接失效分析及强度影响因素研究

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