复合材料加筋板—钛合金机械连接结构优化

发布时间：2017-05-18 17:06

  本文关键词：复合材料加筋板—钛合金机械连接结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：复合材料有比强度高、比刚度高、力学性能可设计性、耐疲劳等诸多优点，但其相对钛合金也有材料性能分散性大、冲击损伤容限低、受湿热等环境影响大、较难准确预测疲劳寿命以及制造费用相对较高等缺点，因此在实际应用中还不能完全取代金属材料。为综合利用两者的优点，在当前的飞机结构中既需要不断扩大复合材料的应用范围，又需要充分发挥金属材料的固有优势，所以复合材料结构和金属结构的连接不可避免。机械连接与其它连接形式相比具有易于拆卸、可靠性高和受环境影响较小等优点，因而成为承力较大部位的首选连接形式。复合材料往往做成加筋板壳形式，能以少量筋条材料为代价，使结构的弯曲刚度大幅度提高，被广泛应用于包括航空航天在内的各个工程领域。 本文为了研究复合材料加筋板-钛合金机械连接结构受拉伸载荷作用下的承载能力，对复合材料加筋板与钛合金机械连接结构进行了准静态拉伸试验。试验结果表明，在拉伸过程中由于载荷偏心造成的附加弯矩导致加筋板腹板端部出现了较为严重的应力集中和复合材料损伤，使连接结构出现了提前破坏。为了进一步分析腹板端部形状对连接结构强度的影响，本文对试验进行了三维有限元模拟，模型中考虑了复合材料的渐进损伤失效、钛合金的弹塑性以及紧固件连接部位的接触。有限元模拟的破坏载荷、特定部位的应变-载荷曲线和结构失效模式均与试验吻合较好，验证了本文有限元模型的准确性。利用经过验证的有限元模拟方法，分析腹板端部几何尺寸（腹板缩进距离和端部斜削角度）对复合材料加筋板-钛合金机械连接结构强度的影响。结果表明，腹板缩进距离和端部斜削角度变化会影响腹板端部的应力分布和结构的承载能力，对参数进行合理选择能提高结构强度。 在对连接结构进行参数化优选的基础上，应用ABAQUS的拓扑优化方法进一步对筋条腹板端部进行优化。为提高优化计算的效率，，采用Global-local的方法取出Global model中关键的筋条部位作为local model，并验证其形状的变化对边界条件的影响在可接受范围内。经过拓扑优化后，结构的腹板端部应力集中得到有效缓解。根据优化所得结果对筋条腹板端部的形状进行再设计，建立新的有限元模型进行计算，结果表明优化后的设计提高了结构的承载能力。
【关键词】：复合材料加筋板 端部形状 机械连接 结构优化
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V214.8
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 引言11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 复合材料加筋板研究概况12-13
• 1.2.2 复合材料-金属连接研究概况13-15
• 1.2.3 拓扑优化在复合材料结构中的应用概况15-16
• 1.3 本文研究的主要内容16-18
• 第二章 复合材料加筋板-钛合金机械连接拉伸试验18-24
• 2.1. 静拉伸试验研究18-21
• 2.1.1 试验件介绍18-20
• 2.1.2 拉伸试验20-21
• 2.2 试验结果分析21-23
• 2.2.1 承载能力分析21-22
• 2.2.2 损伤过程和结果分析22-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 复合材料加筋板-钛合金机械连接数值模拟研究24-35
• 3.1 有限元建模方法24-31
• 3.1.1 复合材料建模方法24-29
• 3.1.2 钛合金材料建模方法29
• 3.1.3 接触、边界及载荷设置方法29-31
• 3.2 复合材料加筋板-钛合金机械连接模型验证31-34
• 3.2.1 有限元和试验载荷-位移曲线比较31
• 3.2.2 有限元和试验应变-载荷曲线比较31-33
• 3.2.3 有限元和试验失效模式比较33-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第四章 复合材料加筋板-钛合金机械连接结构强度分析35-51
• 4.1 引言35
• 4.2 复合材料加筋板机械连接结构紧固件直径调整35-37
• 4.3 复合材料加筋板机械连接结构强度影响因素分析37-40
• 4.4 端部斜削角度和腹板缩进距离对结构强度的影响及机理分析40-49
• 4.4.1 端部斜削角度的影响及其机理分析40-45
• 4.4.2 腹板缩进距离的影响及其机理分析45-49
• 4.5 本章小结49-51
• 第五章 复合材料加筋板-钛合金机械连接腹板端部优化51-61
• 5.1 ABAQUS 拓扑优化简介51-52
• 5.2 复合材料加筋板-钛合金机械连接腹板端部子模型验证52-55
• 5.3 复合材料加筋板-钛合金机械连接腹板端部优化55-60
• 5.4 本章小结60-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 6.1 主要结论61-62
• 6.2 研究展望62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68-70
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的证明70

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