CFRP螺栓干涉连接结构预紧行为及静强度研究

发布时间：2017-11-03 12:05

  本文关键词：CFRP螺栓干涉连接结构预紧行为及静强度研究

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【摘要】：机械连接部位作为复合材料连接结构中强度和寿命的薄弱环节,是飞机复合材料结构设计中的关键。提升复合材料机械连接结构的承载能力与连接质量,对于飞机产品的节能减重、安全服役具有重要的意义。现有研究成果表明,干涉配合与螺栓预紧等连接技术对于复合材料连接结构具有显著的增益效果,其中,干涉配合可以为复合材料连接结构的疲劳寿命带来最大约6倍的提升,而螺栓预紧则可以将极限挤压强度提升约2倍。但是,当这两者同时应用于复合材料连接结构时,受到复合材料各向异性、非均质性、脆性等材料特性的影响,作用在不同阶段、不同方向的两种外部载荷在孔周区域产生了耦合作用,使复合材料连接结构的应力状态变得复杂多变,并进一步影响到结构强度与失效形式。针对以上问题,本文面向碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)的干涉螺栓连接结构,以干涉螺栓紧固件从装配紧固到承载服役的过程为线索,采用理论建模、试验分析和数值仿真相结合的方法,研究其在干涉连接和螺栓拧紧等装配过程中的力学行为,探索干涉量、拧紧力矩等因素对于连接结构静载强度的影响规律,全文主要研究内容和成果如下:(1)提出了CFRP干涉连接结构螺栓-孔壁干涉界面摩擦力的分析方法。首先,基于Lekhnitskii复势函数理论和库伦摩擦准则,建立了干涉界面摩擦力的解析模型,该模型考虑了连接结构材料属性、构型尺寸、干涉量、摩擦系数等关键变量。随后,分别开展CFRP叠层结构干涉螺栓压入过程的有限元仿真和试验研究,分析不同干涉量水平下压入过程的力学表现。通过与CFRP叠层结构干涉螺栓压入的试验数据和有限元结果的对比,发现解析模型所求得的摩擦力在干涉量小于1%的弹性范围内具有较好的吻合程度。(2)提出了受干涉界面摩擦力影响的干涉螺栓连接结构夹紧力状态分析方法。开展了CFRP试件干涉螺栓连接结构的夹紧力测量试验,得到了不同干涉量和拧紧力矩状态下,螺母端与螺栓钉头端的夹紧力数值,分析了受摩擦力影响的轴向夹紧力由螺母端至钉头端的传递规律。以试验数据为基础,建立了拧紧力矩与螺母端夹紧力间的扭矩系数经验公式,从而确定了拧紧力矩与螺母端夹紧力间的映射关系。采用三维有限元模型对螺栓干涉连接结构的夹紧力状态进行模拟分析,结果与试验数据吻合较好。通过对试验数据与有限元结果的对比分析,发现螺母/钉头两端夹紧力的差值随着拧紧力矩的增长而增大,当达到一个等于干涉界面摩擦力的峰值后,逐渐缓慢下降,而干涉量将直接决定摩擦力的数值和曲线峰值出现的位置。(3)建立了夹紧力作用下CFRP干涉连接结构干涉域应力分布状态理论模型。首先,在多界面夹紧力分布状态研究的基础上,采用弹性力学半逆解法,建立了复合材料螺栓干涉连接结构夹紧区域内沿厚度方向的压应力分布模型,其次,在考虑复合材料各向异性的基础上,将刚度弹簧等效模型与泊松效应相结合,推导了厚度方向压缩变形对于孔周干涉量的等效变换方程,进一步形成了干涉连接和螺栓预紧综合作用下的孔周应力分布方程。最后,基于有限元仿真数据,定义了关键参数的取值,验证了解析模型的有效性,并分析了干涉量和夹紧力对于孔周应力状态变化的影响。(4)提出了干涉连接和螺栓拧紧混合作用下的CFRP干涉螺栓连接结构强度的分析方法。基于三维Chang Lessard失效准则和álvaro属性退化准则,采用用户子程序USDFLD,建立了CFRP干涉螺栓连接结构的渐进损伤分析有限元模型。开展了CFRP干涉螺栓连接结构的静载荷拉伸试验,测试了不同干涉量和拧紧力矩组合下单螺栓单搭接结构的拉伸破坏强度,分析了试件的失效形式及破坏机理。经过与试验数据的对比,表明基于渐进损伤分析的有限元模型可以较好的模拟复合材料干涉螺栓连接结构因为损伤累积而引起的材料属性退化和承载能力降低,并进一步分析了试件承载过程中损伤萌生、扩展直至失效的过程,其损伤区域分布与试件破坏形式吻合较好。最终,研究结果表明,拧紧力矩对于复合材料连接结构的拉伸强度具有明显的增益效果,而干涉量受到拧紧力矩的影响,分别表现出了增益与削弱的效果。
【关键词】：复合材料 螺栓连接 干涉配合 夹紧力 渐进损伤分析
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214.8
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 研究意义12-14
• 1.3 研究现状14-28
• 1.3.1 复合材料干涉连接力学行为分析15-18
• 1.3.2 复合材料连接结构预紧行为分析18-22
• 1.3.3 复合材料连接结构应力状态分析22-26
• 1.3.4 复合材料连接结构强度预测26-28
• 1.4 研究内容28-31
• 第二章 CFRP螺栓连接结构干涉界面摩擦力建模与分析31-59
• 2.1 引言31-32
• 2.2 干涉螺栓压入过程分析32-34
• 2.3 基于复势函数的干涉界面摩擦力建模34-41
• 2.3.1 复合材料孔周应力函数35-36
• 2.3.2 干涉连接状态下孔周应力函数36-39
• 2.3.3 螺栓-孔壁干涉界面摩擦力模型39-40
• 2.3.4 基于半经验法的模型修正因数40-41
• 2.4 复合材料干涉螺栓压入过程有限元建模41-44
• 2.4.1 模型概述41-44
• 2.4.2 定义接触关系44
• 2.5 CFRP层合板干涉螺栓压入试验研究44-48
• 2.5.1 试件制备44-47
• 2.5.2 试验过程47-48
• 2.6 结果对比与参数研究48-57
• 2.6.1 试验数据分析48-52
• 2.6.2 压入载荷的有限元仿真结果对比与分析52-53
• 2.6.3 干涉界面摩擦力解析模型验证与分析53-57
• 2.7 本章小结57-59
• 第三章 干涉螺栓连接结构夹紧力分布状态研究59-81
• 3.1 引言59
• 3.2 干涉连接螺栓预紧力分析59-61
• 3.3 复合材料干涉螺栓连接夹紧力试验研究61-72
• 3.3.1 试验准备61-63
• 3.3.2 多界面夹紧力状态测量63-64
• 3.3.3 夹紧力测量试验结果分析64-67
• 3.3.4 受摩擦力影响的夹紧力传递规律分析67-70
• 3.3.5 螺母端扭矩系数的试验标定70-72
• 3.4 干涉连接螺栓夹紧力状态数值仿真72-76
• 3.4.1 模型概述72-74
• 3.4.2 干涉配合74-75
• 3.4.3 预紧力加载75-76
• 3.5 有限元仿真结果对比与分析76-80
• 3.5.1 基于数值模拟的夹紧力状态对比与分析76-78
• 3.5.2 上下表面夹紧力差值的有限元模拟78-80
• 3.6 本章小结80-81
• 第四章 轴向夹紧力作用下孔周应力状态建模与分析81-101
• 4.1 引言81-82
• 4.2 复合材料螺栓干涉连接结构孔周区域应力分布建模82-91
• 4.2.1 夹紧区域内的压应力分布83-85
• 4.2.2 被连接件的轴向压缩变形85-86
• 4.2.3 轴向压缩对于干涉量影响的等效变换86-89
• 4.2.4 夹紧区域轴向变形对于孔壁摩擦力的影响89-91
• 4.3 夹紧区域轴向应力分布状态研究91-95
• 4.3.1 干涉量和预紧力对于轴向应力状态的影响91-93
• 4.3.2 解析解与数值解的对比93-95
• 4.4 预紧力作用下孔周径向挤压应力分析95-99
• 4.4.1 理论模型验证95-97
• 4.4.2 预紧力变化对于孔周径向应力的影响97-99
• 4.5 本章小结99-101
• 第五章 CFRP干涉螺栓连接结构强度影响因素分析101-133
• 5.1 引言101-102
• 5.2 复合材料失效准则及材料属性退化规律102-105
• 5.2.1 复合材料失效准则102-103
• 5.2.2 材料属性退化准则分析103-105
• 5.3 CFRP螺栓干涉连接结构渐进损伤的有限元分析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螺栓干涉连接结构失效试验研究110-122
• 5.4.1 试验准备111-112
• 5.4.2 拉伸强度试验112-113
• 5.4.3 试验结果分析113-122
• 5.5 渐进损伤有限元模型的验证与分析122-132
• 5.5.1 拉伸破坏的载荷-位移曲线对比122-125
• 5.5.2 拉伸过程CFRP试件损伤扩展分析125-128
• 5.5.3 基于渐进损伤的干涉螺栓压入仿真分析128-129
• 5.5.4 干涉量和拧紧力矩变化所造成的孔周损伤129-132
• 5.6 本章小结132-133
• 第六章 总结与展望133-137
• 6.1 论文研究工作总结133-134
• 6.2 进一步研究工作的展望134-137
• 参考文献137-146
• 攻读博士期间从事科研工作情况146-149
• （1）发表论文情况146
• （2）参与课题研究情况146-147
• （3）研究成果147-149
• 致谢149-151
• 附录Ⅰ 压钉试验钉-孔直径测量数据151-155
• 附录Ⅱ 夹紧力测量试验钉-孔直径测量数据155-159
• 附录Ⅲ 拉伸强度试验钉-孔直径测量数据159-164

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本文编号：1136100