垫片填充非均匀间隙的复合材料装配结构力学特性研究

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1、中图分类号：V262论文编号：102870518-S162学科分类号：082503硕士学位论文垫片填充非均匀间隙的复合材料装配结构力学特性研究研究生姓名岳烜德学科、专业航空宇航制造工程研究方向数字化设计与制造指导教师安鲁陵教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchontheMechanicalBehavioro

2、fCompositeAssemblyStructurewithNon-uniformGap-FillingAThesisinManufacturingEngineeringofAeronauticsandAstronauticsbyYueXuandeAdvisedbyProf.AnLulingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的

3、研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要复合材料凭借其优异的力学性能，在飞机制造中得到了广泛应用。但由于复合材料构件成型精度较低，装配时常在配合面间产生间隙，当间隙较大时，需要进行填隙补偿。工程应用中发现

4、，不恰当的填隙补偿方式会造成较大的装配应力，还有可能造成层间局部损伤。本文首先分析复合材料翼盒的结构，从中抽象出了带有楔形间隙的双端固支模型和单搭接模型，针对这两种模型分别研究了装配连接及拉伸受力两个过程，分析了楔形间隙及其填隙补偿方法对复合材料装配结构力学性能的影响。论文的研究工作主要包括：（1）研究了楔形间隙大小与跨距对复合材料装配结构力学特性的影响，使用双端固支模型进行实验研究与有限元分析，设计了专用的实验装置用于模拟施加螺栓预紧力，分析预紧力作用下复合材料的弯曲变形与表面应变；进行有限元分析时，建立了包含层间内聚力单元的有限元模型，

5、用于分析复合材料的层间应力及损伤。研究结果表明，施加预紧力时，靠近间隙大端的位置表面应变较大，并随着间隙的增大和跨距的减小而有所增加，液体垫片补偿可以降低高应变区的应变值。靠近螺栓头的内聚力单元应力集中程度及局部损伤状况较为严重，并随着间隙的增大而进一步恶化，液体垫片补偿可以显著改善应力集中与局部损伤情况。通过蔡-吴强度理论计算层内单元的失效指数，并对其频率分布进行统计分析，发现靠近复合材料板表面的单元中，失效指数较高的单元所占比例较大，而中间层单元较小。随着间隙的增大与跨距的减小，表面各危险层高失效指数单元的比例有所增大，液体垫片的加入可

6、以降低这一比例。（2）研究了液体-可剥垫片混合补偿对复合材料装配结构力学性能的影响。以双端固支模型为研究对象进行了实验研究与有限元分析，研究了复合材料表面应变状态、层内应力分布、层间应力及损伤情况等。研究表明，混合补偿的效果介于液体垫片补偿和强迫装配之间，随着可剥垫片比例的增大，各测点应变值将更接近强迫装配。对应力水平较大的层内单元进行分析可知，随着可剥垫片比例的提高，失效指数较高的单元比例会小幅上升。（3）研究了楔形间隙对复合材料装配结构拉伸力学性能的影响，通过拉伸实验研究了单搭接接头的力学特性，并建立了相应的渐进损伤有限元模型，分析接头

7、的拉伸刚度、峰值载荷，及拉伸过程中孔内损伤起始与扩展规律。研究表明，液体垫片补偿可以提高接头的拉伸刚度与峰值载荷，随着垫片厚度的增大，拉伸刚度与峰值载荷有所降低。在液体-可剥垫片混合补偿研究中，随着可剥垫片比例的增加，接头的峰值载荷有所降低，拉伸刚度有所提高，但影响很小。随着楔形间隙的增大，相同载荷下内孔损伤有所加剧，填补液体垫片可以在一定程度上抑制内孔损伤。关键词：飞机装配，复合材料，填隙补偿，力学性能，有限元分析I垫片填充非均匀间隙的复合材料装配结构力学特性研究ABSTRACTBasedontheexcellentmechanicalp

8、roperties,thecompositematerialhasbeenwidelyusedinaircraftmanufacturing.Thelowprecisionofm