沉头螺栓与GLARE层合板连接结构面外拉脱力学性能分析

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1、硕士学位论文沉头螺栓与GLARE层合板连接结构面外拉脱力学性能分析ANALYSISONMECHANICALPROPERTIESOFGLARELAMINATESWITHCOUNTERSUNKBOLTEDJOINTSSUBJECTEDTOOUT-OF-PLANELOADING刘衍峰哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V414.1学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学硕士学位论文沉头螺栓与GLARE层合板连接结构面外拉脱力学性能分析硕士研究生：刘衍峰导师：周振功教授申请学位：工学硕士学科：力学所在单位

2、：复合材料与结构研究所答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V414.1U.D.C:530DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringANALYSISONMECHANICALPROPERTIESOFGLARELAMINATESWITHCOUNTERSUNKBOLTEDJOINTSSUBJECTEDTOOUT-OF-PLANELOADINGCandidate：LiuYanFengSupervisor：Prof.ZhouZhengon

3、gAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicsAffiliation：CenterforCompositeMaterialsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要Glare（GLAssREinforced）层合板是兼备铝合金材料良好的抗冲击、延展性能及高分子纤维复合材料可设计性的混杂型先进航空复合材料，现广泛应

4、用于整流罩、蒙皮等航行器流线型曲面结构。装配工艺分离面时，传统铆接或凸头螺栓的连接方式无法保证结构表面的平整度，从而降低航空结构的气动性能。搭接具有变截面几何特征的沉头螺栓是解决上述问题的有效方法。开孔后复合材料层合板法向承载力下降，孔周应力场分布较复杂，面外载荷作用下螺栓紧固件与Glare层合板间易发生拉脱分离。机械连接结构拉脱失效机理较为复杂，易受层合板固支边界条件、紧固件几何参数、复合材料铺层方向等因素影响。连接结构的拉脱阻抗性能是复合材料机械连接结构设计的重要指标。本文通过试验法与数值仿真法结合的形式，准确且高效

5、地分析了沉头螺栓与Glare层合板连接结构面外拉脱时的力学性能。首先概述了复合材料机械连接结构相关的基本理论，为后续研究提供理论基础。再通过连接结构单板拉脱试验法，针对螺栓直径、纤维铺层角度、固支边界形式、试件长宽比（L/W）等因素，进行了沉头螺栓与Glare层合板连接结构面外拉脱性能的参数化分析；使用水切割、光学显微镜等设备观察并分析拉脱破坏时Glare板中金属及纤维复合材料相应的失效形式。其次，通过单轴拉伸试验对铝锂合金进行静强度性能测试，并基于金属韧性断裂准则计算2060-T8型铝锂合金失效及损伤演化等力学参数。随

6、后，基于粘弹体双线性本构理论并结合金属/纤维层间界面的力学参数，表征了Glare板层间内聚力单元的粘性行为；结合拉脱工况下螺栓与层合板间穿透性的滑移行为定义了连接结构内部的接触属性；基于层间剪切破坏模式修正Hashin复合材料三维渐进失效准则，建立了沉头螺栓与Glare层合板连接结构面外拉脱有限元仿真模型。数值模拟的载荷-位移曲线及结构失效模式与试验结果基本一致，验证了仿真方法的可靠性。最后，通过上述数值仿真方法分析了固支边界范围对连接结构拉脱性能的影响。本文提出的有限元仿真方法有效模拟了沉头螺栓与Glare层合板连接结

7、构面外拉脱的渐进失效过程并准确预测了结构的拉脱阻抗性能，为航空技术领域中复合材料机械连接结构性能的优化设计提供参考。关键词：Glare层合板，机械连接结构，面外拉脱失效，参数化分析。IAbstractAbstractGlare(GLAssREinforced)laminatesarehybridadvancedaerospacecompositesthatcombineexcellentimpactresistanceandductilityofaluminumalloymaterialswiththedesignabi

8、lityofpolymerfibercomposites.Theyarenowwidelyusedinfairings,skinsandotherstreamlinedstructureoftheaircraft.Whenassemblyseparatedsurfaces,rivetingorprotruding-b