CFRP锪窝制孔尺寸及误差对连接结构疲劳性能的影响

发布时间：2020-07-30 21:13

【摘要】：碳纤维增强复合材料沉头螺栓连接是飞机结构中最常用的连接方式之一。但是,复合材料沉头螺栓连接构件的锪窝制孔相当于一个潜在的疲劳损伤源,而国内外学者对于复合材料锪窝孔尺寸及误差对连接结构疲劳性能影响少有研究。因此,本文对复合材料沉头螺栓连接结构的载荷传递过程、疲劳失效过程、损伤产生及演化规律进行研究。主要研究内容如下:基于复合材料三维本构模型、Hashin失效准则,建立复合材料沉头螺栓连接结构疲劳仿真的有限元模型,研究构件连接区域的应力场分布,揭示复合材料沉头螺栓连接结构的载荷传递规律。基于复合材料沉头螺栓连接结构静载荷与动载荷试验,通过试验和仿真等手段分析构件在疲劳过程中连接部位的应力分布情况,找到导致连接结构缺陷产生的原因。研究锪窝孔倒圆角尺寸、锪窝孔深度误差、锪窝孔坡度误差及锪窝孔轴线偏心误差对复合材料沉头螺栓连接结构疲劳性能的影响。对复合材料连接结构的疲劳寿命进行预测分析,揭示不同锪窝孔尺寸及误差对连接结构疲劳性能的影响规律。基于复合材料沉头螺栓连接结构的试验及仿真分析,研究连接构件的损伤形式及演变过程。揭示复合材料螺栓连接结构的疲劳失效机理。本文分析了锪窝孔连接结构的疲劳失效机理,研究了不同锪窝孔对连接结构疲劳性能的影响,揭示了疲劳寿命的变化规律。从而优化锪窝孔的加工制造工艺及构件的连接工艺,并为锪窝制孔几何误差评价标准提供理论支持。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V215.5
【图文】：

重量比,材料

课题来源本课题来源于国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金项目（COMACS-2016-33316）。课题研究背景与意义当前我国正在大力发展航空业，提升我国航空技术水平，而航空材料一直作项技术难题阻碍着我国航空业的发展。航空器材料要求同时具备强度高、质的特性。初始的航空设计主要使用铝合金，其优点主要是加工容易且技术成能够较好的保证加工的质量，同时能够大大的降低成本。随着国内外对复合加工制造的大量研究，复合材料的性能已经能够很好的控制，制造工艺及性析研究也进一步加深，其优势逐渐凸显。碳纤维增强复合材料（Carbonfibeforcedpolymers），简称 CFRP，其比强度、比模量高，且可设计性强、抗疲劳好，可大幅减轻结构件重量，提高连接结构的可靠性[1]。同时，复合材料可入光纤管以监控飞机的飞行状况，对后期飞机的维护成本及安全性满足最新机设计需求，能够将飞机的综合性能提升至少 20%以上[2]。因此，CFRP 被应用于航空领域。

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第一章绪论50%[6]，复合材料在飞机的使用量有了质的飞跃[7]。空客公司的 A350xwb 民航机的复合材料使用比例达 52%，如图 1-1 所示，被视为开启了 CFRP 在飞机上用的新篇章[8]。2006 年国内大飞机 C919 大量采用复合材料取代传统的铝合金料，其中 CFRP 材料的用量超过 10%[9]，但仍然远远低于国外大飞机的水平。飞机的形状设计也因为复合材料的大量使用而变得更加有益于气体的流性，能大大减少能源的消耗。如图 1-1 所示，采用复合材料的大型结构件包括翼、机翼、机身、机身整流罩等，以及大量的主承力结构。虽然国内对于复合料的研究已经取得一定成果，但是对于 CFRP 连接结构的研究仍然处于探索阶10]，这也是制约复合材料广泛应用于国产大飞机上的主要原因。故而，开展CFRP 的机械连接性能的研究有着重要的意义。

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第一章绪论因此，复合材料连接孔的尺寸及误差的控制是保证飞机连命的重要因素之一。和紧固件之间的配合精度、机械连接方式对复合材料连接劳性能有直接影响。连接孔的加工允许误差和紧固件的制紧固件的配合精度也有着确定作用。连接孔的加工误差是的误差允许范围有必要进行相关研究，从而获得合适的加，以能够更好的提高复合材料连接结构的力学性能。

【参考文献】