cfrp螺栓干涉连接结构预紧行为及静强度研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：CFRP螺栓干涉连接结构预紧行为及静强度研究作者：段元欣学科专业：航空宇航制造工程指导教师：李原2015年11月ThepreloadingbehaviorandstrengthofboltedCFRPlaminatejointswithinterference-fitbyDuanYuanxinDissertationSubmittedtothefacultyoftheNorthwesternPolytechnicalUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegr

2、eeofDOCTOROFPHILOSOPHYinAeronauticalandAstronauticalManufacturingEngineeringSupervisor:Prof.LiYuanKeyLaboratoryofContemporaryDesignandIntegratedManufacturingTechnologyofMinistryofEducationofChinaNorthwesternPolytechnicalUniversityNov.2015Xi'an,Shaanxi,P.R.China摘要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

3、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

4、题，本文面向碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPlastic,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

5、。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

6、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I西北工业大学博士学位论文值出现的位置。（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

7、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