复合材料连接结构强度研究与失效分析

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复合材料已经被广泛应用于航空、航天等工程应用中,应用场合也由刚开始的不承力结构慢慢演变成为次承力结构和主承力结构,比如飞机舱门、安定面等结构中,目前,空客公司应用复合材料在主承力结构中已经有30多年的经验了,技术也变得相当成熟。随着共固化、整体成型等技术的广泛应用,零件和紧固件数目大大降低,剩余的部位传递的载荷更大,然而,在飞机的一些特殊结构以及因为某些设计和维护的需要,而安排的一些接口,这些部位就需要有相应的连接方式来解决,因此,复合材料结构的连接是不可避免,此时连接结构就成为复合材料整体结构的关键部位。本课题就复合材料在飞机连接结构中的应用,分别针对复合材料连接中的单个螺栓连接和胶接这两种连接方式,采用三维渐近损伤理论,利用有限元分析软件ANSYS,对以上两种形式的连接建立了参数化模型,讨论分析了两种连接方式下几何参数对结构强度的影响;基于复合材料结构理论、三维逐渐累积损伤理论和合适的刚度退化理论,针对复合材料常见的失效形式纤维断裂、基体开裂、基纤剪切、分层等,编写了复合材料失效判断程序,进而对连接结构的失效载荷进行了预测,并对比了文献中的实验结果,验证了准确性。具体内容如下:1.建立复合材料单个螺栓连接的三维模型,采用编写的失效判断程序、刚度退化程序、最终失效判据对其进行强度预测,将软件的模拟分析结果与已有的实验结果进行比较,经过分析验证了准确性。2.在ANSYS中建立单个螺栓连接的参数化模型,针对螺栓连接的搭接形式、连接板厚度、铺层顺序、预紧力、端距、边距等参数对连接强度的影响进行了分析讨论,得到了相应的结论。3.基于以上分析结果,对螺栓连接的累积损伤进行了分析,提取了90°铺层、0°铺层、-45°铺层、45°铺层从初始失效到最终失效渐进损伤的扩展过程,并对不同外载荷下出现的失效形式进行了详细分析。4.建立复合材料胶接的参数化模型,首先对单搭胶接和双搭胶接进行了应力分析,接着对搭接长度、搭接板刚度对称与否和胶层厚度对胶层剪应力的影响进行了分析,最后讨论了胶接搭接长度和胶层厚度对失效载荷的影响。
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