本文關(guān)鍵詞：CFRP螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)預(yù)緊行為及靜強(qiáng)度研究

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【摘要】：機(jī)械連接部位作為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度和壽命的薄弱環(huán)節(jié),是飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。提升復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的承載能力與連接質(zhì)量,對于飛機(jī)產(chǎn)品的節(jié)能減重、安全服役具有重要的意義�，F(xiàn)有研究成果表明,干涉配合與螺栓預(yù)緊等連接技術(shù)對于復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)具有顯著的增益效果,其中,干涉配合可以為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命帶來最大約6倍的提升,而螺栓預(yù)緊則可以將極限擠壓強(qiáng)度提升約2倍。但是,當(dāng)這兩者同時(shí)應(yīng)用于復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)時(shí),受到復(fù)合材料各向異性、非均質(zhì)性、脆性等材料特性的影響,作用在不同階段、不同方向的兩種外部載荷在孔周區(qū)域產(chǎn)生了耦合作用,使復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)變得復(fù)雜多變,并進(jìn)一步影響到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與失效形式。針對以上問題,本文面向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)的干涉螺栓連接結(jié)構(gòu),以干涉螺栓緊固件從裝配緊固到承載服役的過程為線索,采用理論建模、試驗(yàn)分析和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法,研究其在干涉連接和螺栓擰緊等裝配過程中的力學(xué)行為,探索干涉量、擰緊力矩等因素對于連接結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度的影響規(guī)律,全文主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)提出了CFRP干涉連接結(jié)構(gòu)螺栓-孔壁干涉界面摩擦力的分析方法。首先,基于Lekhnitskii復(fù)勢函數(shù)理論和庫倫摩擦準(zhǔn)則,建立了干涉界面摩擦力的解析模型,該模型考慮了連接結(jié)構(gòu)材料屬性、構(gòu)型尺寸、干涉量、摩擦系數(shù)等關(guān)鍵變量。隨后,分別開展CFRP疊層結(jié)構(gòu)干涉螺栓壓入過程的有限元仿真和試驗(yàn)研究,分析不同干涉量水平下壓入過程的力學(xué)表現(xiàn)。通過與CFRP疊層結(jié)構(gòu)干涉螺栓壓入的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元結(jié)果的對比,發(fā)現(xiàn)解析模型所求得的摩擦力在干涉量小于1%的彈性范圍內(nèi)具有較好的吻合程度。(2)提出了受干涉界面摩擦力影響的干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)夾緊力狀態(tài)分析方法。開展了CFRP試件干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)的夾緊力測量試驗(yàn),得到了不同干涉量和擰緊力矩狀態(tài)下,螺母端與螺栓釘頭端的夾緊力數(shù)值,分析了受摩擦力影響的軸向夾緊力由螺母端至釘頭端的傳遞規(guī)律。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立了擰緊力矩與螺母端夾緊力間的扭矩系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式,從而確定了擰緊力矩與螺母端夾緊力間的映射關(guān)系。采用三維有限元模型對螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)的夾緊力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析,結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果的對比分析,發(fā)現(xiàn)螺母/釘頭兩端夾緊力的差值隨著擰緊力矩的增長而增大,當(dāng)達(dá)到一個(gè)等于干涉界面摩擦力的峰值后,逐漸緩慢下降,而干涉量將直接決定摩擦力的數(shù)值和曲線峰值出現(xiàn)的位置。(3)建立了夾緊力作用下CFRP干涉連接結(jié)構(gòu)干涉域應(yīng)力分布狀態(tài)理論模型。首先,在多界面夾緊力分布狀態(tài)研究的基礎(chǔ)上,采用彈性力學(xué)半逆解法,建立了復(fù)合材料螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)夾緊區(qū)域內(nèi)沿厚度方向的壓應(yīng)力分布模型,其次,在考慮復(fù)合材料各向異性的基礎(chǔ)上,將剛度彈簧等效模型與泊松效應(yīng)相結(jié)合,推導(dǎo)了厚度方向壓縮變形對于孔周干涉量的等效變換方程,進(jìn)一步形成了干涉連接和螺栓預(yù)緊綜合作用下的孔周應(yīng)力分布方程。最后,基于有限元仿真數(shù)據(jù),定義了關(guān)鍵參數(shù)的取值,驗(yàn)證了解析模型的有效性,并分析了干涉量和夾緊力對于孔周應(yīng)力狀態(tài)變化的影響。(4)提出了干涉連接和螺栓擰緊混合作用下的CFRP干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析方法�；谌SChang Lessard失效準(zhǔn)則和álvaro屬性退化準(zhǔn)則,采用用戶子程序USDFLD,建立了CFRP干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷分析有限元模型。開展了CFRP干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)的靜載荷拉伸試驗(yàn),測試了不同干涉量和擰緊力矩組合下單螺栓單搭接結(jié)構(gòu)的拉伸破壞強(qiáng)度,分析了試件的失效形式及破壞機(jī)理。經(jīng)過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比,表明基于漸進(jìn)損傷分析的有限元模型可以較好的模擬復(fù)合材料干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)因?yàn)閾p傷累積而引起的材料屬性退化和承載能力降低,并進(jìn)一步分析了試件承載過程中損傷萌生、擴(kuò)展直至失效的過程,其損傷區(qū)域分布與試件破壞形式吻合較好。最終,研究結(jié)果表明,擰緊力矩對于復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度具有明顯的增益效果,而干涉量受到擰緊力矩的影響,分別表現(xiàn)出了增益與削弱的效果。
【關(guān)鍵詞】：復(fù)合材料 螺栓連接 干涉配合 夾緊力 漸進(jìn)損傷分析
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V214.8
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 研究意義12-14
• 1.3 研究現(xiàn)狀14-28
• 1.3.1 復(fù)合材料干涉連接力學(xué)行為分析15-18
• 1.3.2 復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)預(yù)緊行為分析18-22
• 1.3.3 復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析22-26
• 1.3.4 復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度預(yù)測26-28
• 1.4 研究內(nèi)容28-31
• 第二章 CFRP螺栓連接結(jié)構(gòu)干涉界面摩擦力建模與分析31-59
• 2.1 引言31-32
• 2.2 干涉螺栓壓入過程分析32-34
• 2.3 基于復(fù)勢函數(shù)的干涉界面摩擦力建模34-41
• 2.3.1 復(fù)合材料孔周應(yīng)力函數(shù)35-36
• 2.3.2 干涉連接狀態(tài)下孔周應(yīng)力函數(shù)36-39
• 2.3.3 螺栓-孔壁干涉界面摩擦力模型39-40
• 2.3.4 基于半經(jīng)驗(yàn)法的模型修正因數(shù)40-41
• 2.4 復(fù)合材料干涉螺栓壓入過程有限元建模41-44
• 2.4.1 模型概述41-44
• 2.4.2 定義接觸關(guān)系44
• 2.5 CFRP層合板干涉螺栓壓入試驗(yàn)研究44-48
• 2.5.1 試件制備44-47
• 2.5.2 試驗(yàn)過程47-48
• 2.6 結(jié)果對比與參數(shù)研究48-57
• 2.6.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析48-52
• 2.6.2 壓入載荷的有限元仿真結(jié)果對比與分析52-53
• 2.6.3 干涉界面摩擦力解析模型驗(yàn)證與分析53-57
• 2.7 本章小結(jié)57-59
• 第三章 干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)夾緊力分布狀態(tài)研究59-81
• 3.1 引言59
• 3.2 干涉連接螺栓預(yù)緊力分析59-61
• 3.3 復(fù)合材料干涉螺栓連接夾緊力試驗(yàn)研究61-72
• 3.3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備61-63
• 3.3.2 多界面夾緊力狀態(tài)測量63-64
• 3.3.3 夾緊力測量試驗(yàn)結(jié)果分析64-67
• 3.3.4 受摩擦力影響的夾緊力傳遞規(guī)律分析67-70
• 3.3.5 螺母端扭矩系數(shù)的試驗(yàn)標(biāo)定70-72
• 3.4 干涉連接螺栓夾緊力狀態(tài)數(shù)值仿真72-76
• 3.4.1 模型概述72-74
• 3.4.2 干涉配合74-75
• 3.4.3 預(yù)緊力加載75-76
• 3.5 有限元仿真結(jié)果對比與分析76-80
• 3.5.1 基于數(shù)值模擬的夾緊力狀態(tài)對比與分析76-78
• 3.5.2 上下表面夾緊力差值的有限元模擬78-80
• 3.6 本章小結(jié)80-81
• 第四章 軸向夾緊力作用下孔周應(yīng)力狀態(tài)建模與分析81-101
• 4.1 引言81-82
• 4.2 復(fù)合材料螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)孔周區(qū)域應(yīng)力分布建模82-91
• 4.2.1 夾緊區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)力分布83-85
• 4.2.2 被連接件的軸向壓縮變形85-86
• 4.2.3 軸向壓縮對于干涉量影響的等效變換86-89
• 4.2.4 夾緊區(qū)域軸向變形對于孔壁摩擦力的影響89-91
• 4.3 夾緊區(qū)域軸向應(yīng)力分布狀態(tài)研究91-95
• 4.3.1 干涉量和預(yù)緊力對于軸向應(yīng)力狀態(tài)的影響91-93
• 4.3.2 解析解與數(shù)值解的對比93-95
• 4.4 預(yù)緊力作用下孔周徑向擠壓應(yīng)力分析95-99
• 4.4.1 理論模型驗(yàn)證95-97
• 4.4.2 預(yù)緊力變化對于孔周徑向應(yīng)力的影響97-99
• 4.5 本章小結(jié)99-101
• 第五章 CFRP干涉螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響因素分析101-133
• 5.1 引言101-102
• 5.2 復(fù)合材料失效準(zhǔn)則及材料屬性退化規(guī)律102-105
• 5.2.1 復(fù)合材料失效準(zhǔn)則102-103
• 5.2.2 材料屬性退化準(zhǔn)則分析103-105
• 5.3 CFRP螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)漸進(jìn)損傷的有限元分析105-110
• 5.3.1 有限元仿真流程105-108
• 5.3.2 有限元模型108-110
• 5.4 CFRP螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)失效試驗(yàn)研究110-122
• 5.4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備111-112
• 5.4.2 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)112-113
• 5.4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析113-122
• 5.5 漸進(jìn)損傷有限元模型的驗(yàn)證與分析122-132
• 5.5.1 拉伸破壞的載荷-位移曲線對比122-125
• 5.5.2 拉伸過程CFRP試件損傷擴(kuò)展分析125-128
• 5.5.3 基于漸進(jìn)損傷的干涉螺栓壓入仿真分析128-129
• 5.5.4 干涉量和擰緊力矩變化所造成的孔周損傷129-132
• 5.6 本章小結(jié)132-133
• 第六章 總結(jié)與展望133-137
• 6.1 論文研究工作總結(jié)133-134
• 6.2 進(jìn)一步研究工作的展望134-137
• 參考文獻(xiàn)137-146
• 攻讀博士期間從事科研工作情況146-149
• （1）發(fā)表論文情況146
• （2）參與課題研究情況146-147
• （3）研究成果147-149
• 致謝149-151
• 附錄Ⅰ 壓釘試驗(yàn)釘-孔直徑測量數(shù)據(jù)151-155
• 附錄Ⅱ 夾緊力測量試驗(yàn)釘-孔直徑測量數(shù)據(jù)155-159
• 附錄Ⅲ 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)釘-孔直徑測量數(shù)據(jù)159-164

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本文編號：1136100