复合材料螺栓连接渐进损伤实验及数值的分析

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文复合材料螺栓连接渐进损伤的实验及数值分析博士研究生：周松指导教师：王振清教授学位级别：工学博士学科、专业：固体力学所在单位：航天与建筑工程学院论文提交日期：2012年12月21日论文答辩日期2013年1月13日学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngExperimentalandNumericialInvestigationonProgressiveFailureResponseofCo

2、mpositeBoltedJointCandidate:SongZhouSupervisor:Prof.WangZhenqingAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:SolidMechanicsDateofSubmission:December21,2012DateofOralExamination:January13,2012University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的

3、所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人

4、允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日复合材料螺栓连接渐进损伤的实验及数值分析摘要复合材料以其优异的材料性能广泛应用于航空航天、船舶制造和土木工程行业，

5、复合材料的广泛使用，使得复合材料结构尺寸日渐增大，而复合材料接头则是决定复合材料结构性能的关键因素。有研究表明，结构失效70%发生在接头处，因此，对于复合材料接头的研究就显得至为重要了。接头形式多种多样，胶接和机械连接为主要连接方式。螺栓连接是机械连接的典型连接方式，应用也较为广泛，本文分别使用实验与数值的方法研究了复合材料螺栓连接接头的渐进损伤失效。相关研究的详细内容如下：1.针对复合材料螺栓连接T型接头中接触对较多的问题，选用ABAQUS处理接触有限元问题。同时，改变不同接触属性：接触面摩擦系数和螺栓预紧力，计算二者对T

6、型接头螺栓孔周边应力的影响规律。使用不同外载条件，分析外载对T型接头应力分布的影响。2.使用扩展有限元预测螺栓连接单搭接接头的失效，由于接头问题是一个三维问题，因此，传统壳单元对于解决接头问题并不太适合。本文使用MATLAB开发了复合材料层合板等效模量的计算程序，为了验证扩展有限元的优点和特性，首先我们将数值结果与实验结果进行了对比，同时，研究了不同网格密度对计算结果和失效模式的影响，并数值模拟了不同铺层角度对接头失效的影响。然后，数值模拟了几何参数下的失效模式和失效载荷，几何参数为W/D和E/D。最后模拟了两个螺栓连接接头

7、的失效过程，并与单螺栓连接接头进行了对比。3.实验研究了几何参数对于复合材料螺栓连接单搭接接头的影响规律，选取的几何参数比为W/D和E/D。在试验中用于测试材料参数和接头失效的部件为VARI工艺制备而成。实验测试了接头中复合材料层合板的工程模量，而后通过实验分析了螺栓扭矩对于复合材料接头失效载荷的影响。最后通过实验研究了参数对接头失效载荷及失效模式的影响规律。4.在数值分析中，选用三维HASHIN准则，利用ABAQUS子程序USDFLD和VUMAT开发复合材料渐进损伤子程序。USDFLD子程序中，一旦应力满足失效准则，则将材

8、料刚度进行衰减，而VUMAT子程序中，一旦应力满足失效准则，材料刚度衰减后，同时在子程序中进行应力计算。两种渐进损伤模型与实验结果吻合良好。对比两种渐进损伤模型可以发现，VUMAT子程序收敛速度快，精度也满足工程需要，哈尔滨工程大学博士学位论文因此，在工程计算中，可以选用此种简便快速的计算