低速冲击下碳纤维复合材料层合板机械连接性能数值模拟

发布时间：2020-05-20 08:00

【摘要】：随着航天、汽车等领域的快速发展,结构性能相当于或优于铝合金的先进复合材料开始兴盛,由于复合材料的诸多优异性能,一经问世就显示了巨大的生命力。复合材料连接结构的主要连接形式是机械连接以及胶接连接,其中机械连接是最主要的连接形式。机械连接的质量易于控制、强度分散性小、能传递大载荷、便于装卸、安全可靠,但是由于开孔引起应力集中,削弱复合材料结构的承载能力。同时由于复合材料结构抗冲击能力非常弱,因此在低速冲击载荷作用下,通过数值模拟的方式研究各种关键因素对复合材料机械连接力学性能特性的影响规律很有必要。本文首先介绍了复合材料的本构模型包括二维Hashin失效准则以及复合材料层间损伤模型,在此基础上利用ABAQUS建立了碳纤维复合材料层合板单剪单钉连接模型和碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,分别模拟碳纤维复合材料层合板单剪单钉连接在静拉伸载荷作用下的力学响应以及碳纤维复合材料层合板在低速冲击载荷作用下的力学响应,通过试验结果的对比,验证了机械连接模型以及材料参数的有效性。其次利用ABAQUS建立了碳纤维复合材料单剪双钉和单剪四钉连接有限元模型,并分析了在低速冲击载荷作用下单向铺层比例、层合板的板宽、单向铺层夹角对于单剪双钉连接层合板连接性能的影响以及连接区面积、钉的排列方式对单剪四钉连接层合板连接性能的影响,结果表明板宽、单向铺层夹角以及单向铺层比例对碳纤维复合材料层合板单剪双钉连接性能均有显著影响,而菱形的排列方式更有助于提升单剪四钉层合板连接性能。最后分析了不同螺栓-孔配合作用下孔周径向应力的分布情况,进一步分析了在低速冲击载荷作用下干涉配合和螺栓预紧力混合作用以及配合方式对碳纤维复合材料单剪双钉连接性能的影响,结果表明干涉量和预紧力的大小均会影响复合材料结构的连接性能,但是预紧力的影响程度大于干涉量,通过研究间隙配合和干涉配合两种配合方式对碳纤维复合材料层合板单剪双钉连接性能的影响,结果表明配合方式对孔周径向应力的分布有显著影响,同时对连接性能也有影响,但对连接破坏模式没有影响。
【图文】：

第 1 章 绪 论1.1 课题研究背景随着航天、汽车等领域的快速发展，结构性能相当于或优于铝合金的先进复合材料开始兴盛[1]。由于复合材料的诸多优异性能，一经问世就显示了巨大的生命力。在飞机结构上应用先进复合材料，可比常规的金属结构减重 25%-30%，并可明显提高飞机的性能，这对现代飞行器具有特殊重要的意义。目前世界先进飞机结构已经出现了复合材料化的趋势。国际民机市场上，波音 787 飞机复合材料占机体结构重量的 50%，空中客车公司的 A350XWB 宽体飞机复合材料用量达到52%，同时在汽车上的应用也很广泛[2-4]。复合材料的应用不仅是在航天、汽车行业，在日常生活的许多方面复合材料都扮演着重要角色，如下图 1.1 所示。

2e) 紧固件破坏图 1.2 复合材料机械连接典型破坏模式今复合材料的应用绝大多数是层合板结构（由纤维/树脂构成），由于机要在被连接件上打孔，造成连接孔处纤维的被切断，使整体结构的连接降低。失效模式如图 1.2 所示，，除上述单一失效模式外，复合材料连接生组合型失效模式破坏。对影响复合材料连接结构的因素总的来讲可以下六类。1）材料属性：纤维的类型、取向及形式（单向带、编织布等）树脂的类层顺序、铺层比例、铺层夹角、纤维的体积含量以及密度等；
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】

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1 张纪奎;马志阳;程小全;陈纲;;复合材料三钉单搭连接有限元模拟与钉载分布[J];复合材料学报;2012年03期

2 张岐良;曹增强;;复合材料螺接性能的影响因素研究[J];航空学报;2012年04期

3 陈向明;柴亚南;沈真;;自定义粘接元接触技术在复合材料连接强度分析中的应用[J];复合材料学报;2011年06期

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5 毛春见;许希武;田静;徐q;;缝合复合材料层板低速冲击损伤研究[J];固体力学学报;2011年01期

6 朱炜W

本文编号：2672313