连接孔垂直度误差对复合材料连接性能的影响

发布时间：2017-10-22 13:09

  本文关键词：连接孔垂直度误差对复合材料连接性能的影响

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【摘要】：碳纤维增强环氧树脂基复合材料因其高比强度、高比刚度、耐腐蚀性、可设计性强等特点,在汽车制造业、建筑业、国防军工、航空航天等领域中逐渐得到更多的使用。但本身具有强烈的各向异性、组织分散性等特点,在制孔过程中易产生两类缺陷：一类是与加工金属材料相同的形位误差,即垂直度误差、圆度误差、表面粗糙度等；另一类是碳纤维复合材料特有的加工缺陷,如毛刺、撕裂、分层、孔壁微裂纹等。这些误差和缺陷对于复合材料结构的强度、刚度、损伤容限以及疲劳寿命都可能造成重要影响。国内外学者对于连接孔缺陷对复合材料机械连接的性能影响方面已经开展了诸多研究,然而针对连接孔垂直度误差对复合材料机械连接的性能影响方面缺少相关的理论解析、数值模拟及试验研究。针对上述问题,结合国家973计划课题相关研究内容,开展了连接孔垂直度误差对碳纤维增强环氧树脂基复合材料螺栓连接力学性能的影响的理论研究,以期为大型航空碳纤维复合材料构件连接孔加工垂直度误差对性能影响评价提供理论参考。本文主要研究工作和取得的成果如下：(1)基于三维Hashin类失效准则和渐进损伤理论提出了一种描述材料损伤的刚度折减方案。利用UMAT用户子程序对碳纤维复合材料板开孔拉伸进行数值分析,将数值计算结果与碳纤维复合材料板开孔拉伸试验结果进行对比分析,结果表明数值分析对极限载荷的预测和失效过程的预测结果与对应的试验结果吻合,验证了数值分析方法的可靠性。(2)通过单搭接单剪试验和有限元分析方法,获得了虑及孔垂直度误差碳纤维复合材料单钉螺接结构在拉伸载荷作用下的力学行为和失效模式。对比不同孔垂直度误差下的载荷-位移曲线和损伤分布,分析了孔垂直度误差对复合材料单钉单剪结构力学性能的影响规律。(3)对碳纤维复合材料双钉单剪结构在拉伸载荷下进行了理论分析和数值仿真,获得了连接孔倾斜方向、倾斜角度和预紧力对连接结构刚度和钉载分配的影响规律。上述研究工作和成果为航空大型复合材料构件的连接性能分析提供了可行的技术手段参考。
【关键词】：碳纤维复合材料 螺栓连接 垂直度误差 力学性能 失效分析
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V214.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 碳纤维复合材料机械连接国内外研究现状10-14
• 1.3 课题来源及主要研究内容14-15
• 2 复合材料渐进损伤分析15-31
• 2.1 引言15
• 2.2 复合材料渐进损伤理论15-21
• 2.2.1 渐进损伤理论15-20
• 2.2.2 用户子程序UMAT20-21
• 2.3 渐进损伤分析方法验证21-30
• 2.3.1 碳纤维复合材料开孔板拉伸数值模型21-22
• 2.3.2 碳纤维复合材料开孔板拉伸试验测试22-24
• 2.3.3 数值分析有效性24-30
• 2.4 本章小结30-31
• 3 垂直度误差影响复合材料单钉单剪连接性能分析31-62
• 3.1 引言31
• 3.2 碳纤维复合材料单钉单剪连接结构的拉伸性能测试31-44
• 3.2.1 碳纤维复合材料单剪连接结构拉伸试验件与试验方法31-34
• 3.2.2 复合材料单剪拉伸试验结果及分析34-44
• 3.3 碳纤维复合材料单钉单剪连接结构的数值分析44-51
• 3.3.1 数值模型44-45
• 3.3.2 仿真参数45-46
• 3.3.3 数值模型验证46-51
• 3.4 参数讨论和分析51-60
• 3.4.1 应力影响分析51-55
• 3.4.2 连接性能与损伤分析55-60
• 3.5 本章小结60-62
• 4 垂直度误差影响复合材料双钉单剪连接性能分析62-71
• 4.1 碳纤维复合材料双钉单剪连接结构钉载分配理论分析62-64
• 4.2 碳纤维复合材料双钉单剪连接结构的数值分析64-66
• 4.2.1 数值模型64-66
• 4.2.2 数值模型的有效性66
• 4.3 参数讨论与分析66-70
• 4.4 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况76-77
• 致谢77-78

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本文编号：1078481