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碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度及主要影響因素分析

發(fā)布時間:2016-08-05 00:17

  本文關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度及主要影響因素分析,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。


碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度及主要影響因素分析

   2016-2-16

 【摘要】:碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能,其比強(qiáng)度高、比剛度高,燒蝕性能好,因此一直廣泛用于航天航空領(lǐng)域。隨著制備工藝的日益成熟,碳纖維復(fù)合材料逐步由軍用領(lǐng)域轉(zhuǎn)向工業(yè)及民用領(lǐng)域,如汽車制造業(yè)、建筑業(yè)和運(yùn)動休閑產(chǎn)品等。這種被稱作“黑色黃金”的復(fù)合材料在未來民用領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V泛的應(yīng)用前景。在碳纖維復(fù)合材料的大型結(jié)構(gòu)設(shè)計中,接頭是不可缺少的設(shè)計環(huán)節(jié)。碳纖維復(fù)合材料為脆性材料且各向異性,同時復(fù)雜多樣的纖維結(jié)構(gòu)形式與連接參數(shù)使碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計比傳統(tǒng)金屬連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜很多。一般接頭的類型有機(jī)械連接、膠接和膠螺混合連接三種。機(jī)械連接具有較好的可拆卸性、易檢修、對界面要求低且對使用環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)。因此,機(jī)械連接形式被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料的連接結(jié)構(gòu)中。在眾多碳纖維復(fù)合材料中,碳/碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的超高溫性能,從而使其在防熱結(jié)構(gòu)中得以廣泛應(yīng)用;三維六向編織復(fù)合材料具有優(yōu)異的層間性能,而關(guān)于這兩類碳纖維復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的研究尚不充分。據(jù)此確立了本文的研究內(nèi)容,即分別以碳/碳復(fù)合材料和三維六向編織復(fù)合材料這兩種碳纖維復(fù)合材料為研究對象,通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究其機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,為此類碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容如下:首先,對碳/碳復(fù)合材料開孔(開口)板這一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型在拉伸載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)測試分析,獲得碳/碳復(fù)合材料開孔板的拉伸強(qiáng)度,揭示碳/碳復(fù)合材料開孔板的失效是由拉伸引起的纖維斷裂造成。同時基于點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則,建立數(shù)值模擬分析模型,預(yù)報碳/碳復(fù)合材料開孔結(jié)構(gòu)的極限破壞載荷,獲得開孔結(jié)構(gòu)的拉伸特征長度。最后在驗(yàn)證數(shù)值模型有效性之后,利用該分析模型對碳/碳復(fù)合材料開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析,獲得該材料對缺口不敏感。然后,為了進(jìn)一步分析碳/碳復(fù)合材料的擠壓強(qiáng)度,對單螺栓連接雙剪搭接這一連接結(jié)構(gòu)形式的擠壓強(qiáng)度進(jìn)行測試,得到側(cè)向約束對擠壓強(qiáng)度的影響,同時獲得不同連接結(jié)構(gòu)形式下的破壞模式;揭示連接結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。建立基于Hashin破壞準(zhǔn)則及粘接單元的漸進(jìn)損傷分析模型,通過與試驗(yàn)的對比確定了數(shù)值模型的可靠性后,對雙剪連接結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括幾何參數(shù)和預(yù)緊力)進(jìn)行模擬分析,給出雙剪搭接連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考值。接著,基于雙剪搭接連接結(jié)構(gòu)的分析,進(jìn)一步對碳/碳復(fù)合材料單(多)螺栓單剪搭接連接結(jié)構(gòu)在面內(nèi)拉伸載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行測試分析。由于單剪連接結(jié)構(gòu)形式的原因,造成加載過程中出現(xiàn)二次彎曲現(xiàn)象,使連接結(jié)構(gòu)的破壞載荷比雙剪連接結(jié)構(gòu)低。分析側(cè)向約束、幾何參數(shù)和連接形式對其破壞模式及破壞載荷的影響規(guī)律,進(jìn)而測試分析單排雙列與雙排單列兩種多螺栓連接結(jié)構(gòu)的破壞載荷,建立單剪連接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型。隨后對單剪搭接連接結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對連接結(jié)構(gòu)承載能力的影響進(jìn)行討論分析,獲得單剪搭接連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾何參考值。最后,對三維六向編織復(fù)合材料單(多)螺栓單剪連接結(jié)構(gòu)形式在拉伸載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析,給出螺栓連接結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束面積與預(yù)緊力的大小對連接結(jié)構(gòu)最終力學(xué)性能影響;確立其連接結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理;谔卣髑及Yamada-sun的有限元分析方法,對三維六向編織復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的參數(shù)展開模擬分析,給出了其單剪連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考值。


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本文編號:85196

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