碳纤维增强树脂基复合材料机械连接孔挤压强化技术研究
发布时间:2017-09-24 12:33
本文关键词:碳纤维增强树脂基复合材料机械连接孔挤压强化技术研究
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【摘要】:碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料由于具有比强度高、比刚度高等优异特性,被广泛用于航空航天领域。在飞机结构中,机械连接是CFRP复合材料构件主要的连接形式,而连接件上的紧固件孔破坏了构件的完整性,是连接件上的应力集中和薄弱环节,导致CFRP复合材料机械连接件疲劳性能降低,直接影响飞机的长寿命设计。因此,在构件薄弱处应用有效的强化技术对于提高CFRP复合材料机械连接件的疲劳寿命是一项重要的措施。本文针对CFRP复合材料机械连接件开孔引起的低疲劳寿命问题,开展了CFRP复合材料机械连接孔挤压强化技术研究,完成的主要工作如下:(1)制定了CFRP复合材料孔挤压工艺流程,设计了适用于CFRP复合材料层合板的孔挤压装置平台并研制钛合金无缝衬套;制备了CFRP复合材料孔挤压试验件,开展了CFRP复合材料层合板无缝衬套孔挤压工艺试验;分析了挤压力的变化规律、挤后衬套尺寸以及挤后孔壁损伤情况,对CFRP复合材料层合板孔挤压质量进行了评价。(2)建立了含端孔的CFRP复合材料层合板孔挤压有限元仿真模型及CFRP复合材料机械连接件静拉伸受载仿真模型。模型应用了VUMAT用户子程序,实现了基于Hashin失效准则及部分材料性能退化模式的渐进损伤演化。从孔边应力分布规律、单元损伤及失效方面对仿真结果进行了研究分析,探究了孔挤压对CFRP复合材料机械连接件承载性能的影响规律。(3)开展了不同挤压量下的CFRP复合材料机械连接件静拉伸和疲劳试验,得到了不同挤压量下的CFRP复合材料机械连接件连接强度和疲劳寿命。探究了孔挤压对CFRP复合材料机械连接件承载性能、破坏模式及疲劳变形的影响规律,验证了孔挤压工艺对CFRP复合材料机械连接件的疲劳增益效果,获取了合适的挤压工艺参数。
【关键词】:碳纤维增强树脂基复合材料 机械连接 孔挤压 有限元仿真 疲劳寿命
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ342.742;TB332
【目录】:
- 摘要4-5
- ABSTRACT5-12
- 注释表12-13
- 第一章 绪论13-19
- 1.1 碳纤维复合材料及其在航空航天领域的应用13-15
- 1.1.1 碳纤维复合材料及其性能13-14
- 1.1.2 碳纤维复合材料连接结构的连接与失效形式14-15
- 1.2 碳纤维复合材料结构机械连接性能研究15-17
- 1.2.1 复合材料对机械连接性能的影响15
- 1.2.2 几何要素对机械连接性能的影响15-16
- 1.2.3 装配工艺对机械连接性能的影响16-17
- 1.3 复合材料机械连接结构孔挤压强化工艺研究构想17
- 1.4 本课题拟开展的主要工作17-19
- 第二章 CFRP复合材料层合板孔挤压强化工艺方法19-31
- 2.1 CFRP复合材料层合板孔挤压工艺系统19-22
- 2.1.1 孔挤压流程19
- 2.1.2 孔挤压硬件系统19-22
- 2.1.2.1 挤压芯棒20
- 2.1.2.2 开缝垫圈20-21
- 2.1.2.3 无缝衬套21-22
- 2.2 含端孔CFRP复合材料层合板制备22
- 2.3 挤压工艺参数22-24
- 2.4 CFRP复合材料层合板孔挤压工艺试验24-26
- 2.4.1 衬套安装24-25
- 2.4.2 挤压过程25
- 2.4.3 挤压力25-26
- 2.5 孔挤压后表面质量26-29
- 2.5.1 挤压后衬套表面形貌26-27
- 2.5.1.1 挤压出、入口形貌26
- 2.5.1.2 衬套孔壁质量26-27
- 2.5.2 挤压后衬套尺寸变化27-28
- 2.5.2.1 衬套高度变化27-28
- 2.5.2.2 衬套孔径变化28
- 2.5.3 复合材料孔壁质量28-29
- 2.6 本章小结29-31
- 第三章 CFRP复合材料机械连接数值模拟31-50
- 3.1 复合材料层合板渐进损伤方法31-36
- 3.1.1 本构模型31-33
- 3.1.2 失效判定准则33-35
- 3.1.3 材料性能退化方案35-36
- 3.2 复合材料受载仿真分析流程36
- 3.3 有限元模型36-41
- 3.3.1 几何及材料性能参数37
- 3.3.2 孔挤压及装配件有限元模型37-38
- 3.3.3 接触关系及边界条件38-39
- 3.3.4 Import功能的应用39-40
- 3.3.5 螺栓拧紧力矩的施加40-41
- 3.3.6 VUMAT子程序41
- 3.4 仿真结果分析41-48
- 3.4.1 复合材料层合板孔挤压仿真结果分析41-44
- 3.4.1.1 不同挤压量下各层孔壁Mises应力分布规律41-42
- 3.4.1.2 不同纤维铺设方向下孔边δ_(11)应力分布规律42-43
- 3.4.1.3 不同挤压量下 0°铺层孔边应力分布规律43
- 3.4.1.4 不同挤压量下孔壁损伤情况43-44
- 3.4.2 不同挤压量下CFRP复合材料机械连接件静拉伸受载仿真结果分析44-48
- 3.5 本章小结48-50
- 第四章 CFRP复合材料机械连接疲劳性能试验研究50-61
- 4.1 试验条件与方法50-51
- 4.1.1 拉伸试验条件50
- 4.1.2 疲劳试验条件50-51
- 4.2 试验件51-52
- 4.2.1 装配件结构尺寸设计51-52
- 4.2.2 装配过程52
- 4.3 拉伸试验结果52-55
- 4.3.1 CFRP复合材料机械连接静强度52-54
- 4.3.2 拉伸破坏模式54-55
- 4.4 孔挤压对CFRP复合材料机械连接件疲劳性能的影响55-60
- 4.4.1 孔挤压对CFRP复合材料机械连接件疲劳变形的影响55-57
- 4.4.2 孔挤压对CFRP复合材料机械连接件疲劳寿命的影响57-60
- 4.5 本章小结60-61
- 第五章 总结与展望61-63
- 5.1 总结61-62
- 5.2 展望62-63
- 参考文献63-67
- 致谢67-68
- 在学期间的研究成果及发表的学术论文68
【参考文献】
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1 朱炜W,
本文编号:911427
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