复合材料多钉连接强度预测方法及其关键技术研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：复合材料多钉连接强度预测方法及其关键技术研究作者：李想学科专业：飞行器设计指导教师：谢宗蕻2017年11月Title:Strengthpredictionmethodofmulti-boltcompositejointanditskeytechnologiesByLiXiangUndertheSupervisionofProfessorXieZonghongADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentofthereq

2、uirementForthedegreeofDoctorofFlightVehicleDesignXi’anP.R.ChinaNovember2017摘要摘要复合材料多钉连接是航空航天结构中一种常用的连接形式，由于引入应力集中，连接部位常成为复合材料整体结构中的薄弱环节，其连接强度直接影响飞行器的安全和寿命。因此，为充分发挥复合材料的优势，必须对多钉连接的强度进行预测。目前的多钉连接强度预测方法存在计算过程复杂、预测精度不高等问题，无法满足现代飞行器对结构设计的要求。高效、低成本的多钉连接强度预测技术的研究对保障飞行器结构的安全，降低结构重量和寿命周期成本，缩短研发周期等

3、有重要的意义。多钉连接强度预测的关键技术主要涉及以下四个方面：1）含孔板强度预测失效准则的选取问题；2）高效、低成本的多钉连接钉载分配分析技术；3）规则排列多钉连接的强度预测方法；4）非规则排列复杂钉群连接的强度预测方法。本文针对以上关键技术进行研究，主要贡献和创新点如下：1.研究了旁路载荷和挤压载荷单独作用时复合材料含孔板拉伸强度的预测方法。分别采用解析模型和p型有限元技术，选取基于应力和能量耦合的失效准则即有限断裂力学，提出了预测任意铺层形式含孔板拉伸型强度的分析模型。模型仅需层压板的拉伸强度、临界断裂韧性等参数，具有输入参数少、通用性强的特点。与试验数据的对比表明，

4、本文提出的预测模型能最为有效地预测任意规格、任意铺层比例的含孔板拉伸强度。2.研究了高效、低成本的复合材料多钉连接钉载分配分析方法。分别采用解析形式的弹簧质量模型和基于结构单元的p型有限元技术建立了多钉连接钉载分配的低成本分析模型。另外，针对规则排列复合材料螺接修理的钉载分配问题，通过引入含损伤区蒙皮等效刚度、螺栓等效刚度以及结构刚度等参数提出了改进的弹簧质量模型。对多钉连接钉载分配的预测发现，两种模型分析结果和试验数据及文献数据吻合较好。3.研究了规则排列复合材料多钉连接失效强度的预测方法。针对规则排列多钉连接中典型的拉伸型失效，结合钉载分配比例获得了各钉孔在挤压载荷和

5、旁路载荷共同作用时的孔边应力分布，基于有限断裂力学提出了失效强度预测的半解析模型。对多钉连接接头强度的预测发现，模型预测误差较小。另外，研究发现减小首钉的直径、降低首钉的钉载比例以及减小接头宽度等，接头的拉伸型失效强度均会增加。4.研究了非规则排列复合材料多钉连接失效强度的预测方法。针对复合材料螺接修理的拉伸强度预测问题，基于有限断裂力学，结合钉载分配分析技术和两级模型分析方法提出了一种非规则排列多钉连接失效强度的预测方法。分析过程采用VB.NET结合p型有限元的二次开发技术实现。对圆形、长圆形、椭圆形等三种不同损伤形状的螺接修理结构计算发现，模型预测的失效模式和失效位置

6、与试验结果一致，失效强度与试验数据吻合。另外，通过敏度分析发现，修理结构中损伤孔的失效强度主要取决于补片传递的载荷比例，载荷比例越大，损伤孔的失效强度越大；而螺栓孔的失效强度主要取决于I西北工业大学博士学位论文螺栓大小，螺栓越大，失效强度越小。其次，对长圆形损伤螺接修理，损伤孔的形状越接近圆形，损伤孔的失效强度越高，反之，损伤孔的形状越接近狭长型的裂纹，损伤孔的失效强度越低。另外，在垂直于载荷方向的对称面附近，螺栓承载比例较小，该部分螺栓对修理结构失效强度的贡献也较小，结构设计中，应尽量避免在该对称面附近布置螺栓。关键词：复合材料，多钉连接，钉载分配，强度预测，有限断裂力

7、学，p型有限元IIAbstractAbstractMechanicaljointisoneofthemostimportantloadtransferelementsinthefieldofaeronauticsandastronautics.Inboltedcompositestructures,stressconcentrationsdevelopingaroundtheholeseverelyreducethestrengthofthestructure,whichdirectlyaffectsthesafetyandl