【摘要】：玻璃纖維增強鋁合金層板(Glare)在空客A380主承力結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用展現(xiàn)了其作為下一代首選航空材料的潛力。由于飛機結(jié)構(gòu)件在設(shè)計和服役過程中不可避免地會引入缺陷(或損傷),包括因結(jié)構(gòu)連接需求而產(chǎn)生的孔狀缺陷以及因外物撞擊而產(chǎn)生的裂紋型缺陷,為此從損傷容限設(shè)計角度出發(fā),開展含缺陷Glare層板的失效行為研究將具有重要的工程和科學(xué)意義。雖然目前針對該問題已進(jìn)行了一些相關(guān)研究,但由于該問題的復(fù)雜性,有關(guān)偏軸拉伸條件下含孔Glare層板的失效機理和偏軸角與尺寸效應(yīng)的耦合作用問題,以及金屬層厚度和體積分?jǐn)?shù)對含裂紋Glare層板裂紋穩(wěn)態(tài)擴展行為的影響等問題仍未得到合理地解決。為此本文采用實驗和數(shù)值方法對這些問題進(jìn)行了分析研究,從而可為Glare層板的應(yīng)用和損傷容限設(shè)計提供合理化的技術(shù)支持。為了研究偏軸拉伸載荷作用下含孔Glare層板的失效機理并進(jìn)而闡述其力學(xué)響應(yīng)隨偏軸角變化規(guī)律產(chǎn)生的原因,本文對含孔Glare層板進(jìn)行了不同偏軸角條件下的拉伸測試,并建立了考慮熱殘余應(yīng)力的有限元分析模型。結(jié)合實驗以及有限元損傷云圖和損傷單元數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn),偏軸拉伸條件下含孔Glare層板中次臨界損傷的充分發(fā)展可以延緩纖維的斷裂,并且即使承受拉-剪耦合應(yīng)力作用其失效仍然表現(xiàn)為拉伸主導(dǎo)模式,但控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金控制。另外,考慮到Glare層板的失效行為主要與鋁合金和玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)的貢獻(xiàn)比例有關(guān),本文借助有限元的歷史變量輸出,從能量角度對偏軸拉伸條件下含孔Glare層板的力學(xué)響應(yīng)和損傷行為進(jìn)行了更為直觀的闡述。鑒于含孔復(fù)合材料層板具有顯著的尺寸效應(yīng),本文通過對寬度恒定和徑/寬比恒定兩種條件下的含孔Glare層板進(jìn)行偏軸拉伸測試,分別研究了孔徑和試驗件尺寸對Glare層板開孔強度和開孔敏感性的影響,并重點探討了二者與偏軸角之間的耦合作用關(guān)系�；谄S拉伸含孔Glare層板的失效機理,從偏軸加載模量保留率和應(yīng)變增加比例角度闡述了寬度恒定條件下孔徑與偏軸角之間的耦合效應(yīng)。徑/寬比恒定時試驗件尺寸與偏軸角之間耦合效應(yīng)產(chǎn)生的原因同樣與此兩個因素有關(guān),同時基于有限元模型的組分材料內(nèi)能、彈(塑)性應(yīng)變能和次臨界損傷耗能分析也為該耦合效應(yīng)的揭示提供了充足的證據(jù)�？紤]到目前關(guān)于鋁合金厚度和組分材料體積分?jǐn)?shù)對含裂紋Glare層板斷裂行為的影響仍未明確地剝離出來,本文通過設(shè)計六種不同結(jié)構(gòu)的含裂紋Glare層板并對其開展準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測試,實現(xiàn)了單獨考察此兩個因素對含裂紋Glare層板抵抗裂紋擴展能力和剩余強度影響的目的,尤其是分析了二者對含裂紋Glare層板裂紋穩(wěn)態(tài)擴展行為的影響。鋁合金厚度的影響主要體現(xiàn)在其自身斷裂韌性方面,而組分材料體積分?jǐn)?shù)的影響與GFRP層的延遲斷裂特征有關(guān),其中后者由損傷過程分析進(jìn)行了證實。在實驗基礎(chǔ)之上,以原始裂尖5mm標(biāo)距內(nèi)的裂紋張開位移(?)為斷裂參數(shù),結(jié)合結(jié)構(gòu)完整性評定方法、Tsai-Paris法和疊加原理建立了含裂紋Glare層板的剩余強度預(yù)報方法,預(yù)報結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。在前面研究基礎(chǔ)上,以提高Glare層板損傷容限性能并兼顧輕量化的需求為目的,通過將標(biāo)準(zhǔn)Glare層板的中間鋁合金層替換為具有高模量和高屈服強度優(yōu)勢的鈦合金,提出了一種鈦合金原位強化型Glare層板(TR-Glare)。通過開展含孔TR-Glare層板的拉伸實驗和有限元能量分析發(fā)現(xiàn),鈦合金起到的分擔(dān)載荷作用和緩解纖維斷裂作用是促使其產(chǎn)生強化效果的主要原因。鈦合金的這種強化作用同樣也在含裂紋TR-Glare層板中得到了體現(xiàn),另外通過改進(jìn)本文建立的含裂紋Glare層板剩余強度預(yù)報方法,同樣實現(xiàn)了對含裂紋TR-Glare層板剩余強度的預(yù)報。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;V25
【圖文】：

基于此種發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)以及英、美兩國采用復(fù)合材料進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)件局部強化的經(jīng)驗，�？斯竞� Delft 理工大學(xué)于 20 世紀(jì) 70 年代后期共同提出了纖維金屬層板（FML）的概念[3]。如圖 1-1 所示，F(xiàn)ML 概念提出的主要思想為將金屬和纖維增強復(fù)合材料交替鋪設(shè)固化，借助纖維的橋連作用起到閉合裂紋并其提高抗疲勞裂紋擴展性能的目的[4]。

兩種模型示的意圖分別如圖 1-2(a)和圖 1-2(b)所示。點應(yīng)力準(zhǔn)則和平均應(yīng)力準(zhǔn)則的計算公式分別如公式（1-1）和（1-2）所示 0 0,0 ,y x x r d（1-1） 00 001,0 ,r ayrx dx x r aa （1-2式中，r 為缺口半徑，d0和 a0為特征長度。

ECGM模型示意圖

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

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3 白國娟;基于裂紋張開角準(zhǔn)則多裂紋結(jié)構(gòu)剩余強度研究[D];上海交通大學(xué);2012年

本文編號：2792318