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复合材料机械连接失效分析及强度影响因素研究
中文名称: 复合材料机械连接失效分析及强度影响因素研究
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论文编号: 3116165收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Failure Analysis of Composite Mechanically Fastened Joints and Study of Effects on Failure Strength
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 飞行器设计
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 复合材料 螺栓连接技术 连接强度 累积损伤 有限元 复合材料结构 机械连接
简介目录: 点击此处 免费索取本论文简介和目录>>
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论文简介:航空结构中存在大量螺栓连接,螺栓对航空结构的安全和效率有着至关重要的作用。复合材料结构设计主要依靠设计者的经验并依赖大量的试验。由于复合材料主要结构都采用大量螺栓进行连接,这便需要进行大量试验以保证安全和结构效率。为降低试验费用并保证结构的效率和安全,本文拟采用先进的有限元分析软件及数值模拟方法对航空结构中的螺栓连接进行全面研究。对复合材料机械连接特性研究的目的只有一点:即连接强度和连接效率。失效判断是预测连接强度的基础,钉载分配研究是估算多钉强度的前提,论文针对复合材料连接设计工作者所关心的问题,从多方面开展了有益的研究。这些研究内容及连接设计技术的发展对显著地减少试验费用和开发时间,把复合材料用到飞机结构的主要部件中,提高连接效率从而减轻飞机重量,提高飞机安全性有很大实用价值。 论文主要工作及研究成果(创新)如下: 1、第一章主要分析了国内外复合材料机械连接研究现状,重点介绍了欧盟资助的BOJCAS计划(BOLTEDJOINTSINCOMPOSITEAIRCRAFTSTRUCTURES)的研究目标,BOJCAS计划是一个支撑大型商务飞机主要材料使用复合材料的关键技术。通过了解这一计划的研究内容并查阅了大量国内外近几年发表的相关论文,并结合国内主机厂所课题要求,确定出本论文的研究内容。 2、第二章介绍了复合材料机械连接的特点及破坏模式,简要介绍了复合材料破坏机理以及螺栓连接强度预测方法。对于多钉连接问题,提出两种计算钉载分配的有限元方法,一种是通过建立两被连接件钉孔边位移协调方程组求解钉载;另一种是采用接触问题有限元求解钉载比例及钉载分布。对单钉连接本文提出两种强度估算数值方法,一种是在传统特征曲线法基础上改进的不倚赖于试验的完全数值特征曲线法,这一改进减少了试验费用,使方法更具普遍性;另一种是基于累积损伤的接头强度估算方法,该方法以Hashin失效准则为依据,通过被连接件损伤过程的精确模拟结合本文揭层试验结果及资料中给出的试件损伤情况对比,提出改进的Hashin失效准则及相应的刚度退化模型。 3、第三章针对单钉连接强度问题,采用数值模拟有限元方法计算了钉孔接触力分布、孔边应力分布及单钉连接极限强度。分析了复合材料铺层比例对钉孔边应力分布的影响,结合试验结果揭示了不同铺层的孔边应力分布规律,为进一步的接头强度估算累积损伤模型建立提供了理论依据。对于单钉连接强度,分别采用逐步损伤分析法和特征曲线法计算了单钉连接强度,并与试验结果进行了对比,所得计算结果的精度令人满意。本文针对航空结构中常用的埋头钉与凸头钉连接问题,首次采用三维接触有限元进行了数值模拟,分析了两种钉头对孔边应力分布的影响,从应力分布情况揭示出层合板接头可能的拉脱失效模式。 4、第四章开展了多钉连接载荷分配及影响因素研究,首先介绍了本文所涉及的试验情况及试件参数,以一列三钉为例,分别采用二维有限元模型和三维有限元模型,对各种铺层比例的层合板进行了钉载比例分析及试验结果对比,证明二维及三维模型在计算钉载比例时均有效;在此基础上利用Nastran有限元软件建立起基于间隙单元的二维有限元接触模型,分析了一列多钉与花排连接共十种钉排列方式的钉载分配比例;对于不同搭接型式的影响研究,建立了三维有限元接触模型,根据试验件参数计算了一列多钉单搭接、双搭接和阶梯搭接时的钉载比例,分析了搭接方式、小钉间距、沉头螺栓镬窝等细节对螺栓载荷分配的影响。 5、针对工程中大量存在的多钉连接问题,采用Marc建立了三维有限元接触模型,对埋头钉与凸头钉、螺栓预紧力、单搭接与双搭接等细节对连接强度的影响进行了研究。重点通过研究钉载与旁路载荷的单独作用,深入分析了小钉间距对层合板连接强度的影响。探讨了次弯曲对单剪搭接连接件强度的影响。 本论文全面研究了复合材料机械连接特性,开展的有关单钉连接与多钉连接失效分析及强度影响因素研究工作具有开创性、实用性和精确性,对复合材料连接设计具有重要的工程应用价值。
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