复合材料螺栓连接接头失效分析与强度预测

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1、F a i l u r eA n a l y s i sa n dS t r e n g t hP r e d i c t i o no fC o m p o s i t eB o l t e dJ o i n t sB yH o n g h o n gZ h uSu p e r v i s o r ：P r o f C h e n gL iV e h i c l eE n g i n e e r i n g 一一Sc h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gM a y2 0 1 2本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下

2、，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：朱红红B 强：矽l 戽具| B学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑少H 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校

3、后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑少I , I 大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：举红组日期：矽| 五年 窍2 | 日费用且保证结构安全，建立能够预测复合材料连接接头失效发生及连接强度的数值模拟方法意义重大；为最大效能发挥复合材料优势性能而能将其大量用于飞机主承力部件，探索提高复合材料连接效率的方法措施对实际工程应用具有重要的现实意义和参考价值。本文即针对上述两方面开展研究工作，针对航空结构中大量存在的螺栓连接接头，基于累积损伤分析理论及有限元分析软件A N S Y S 技术平台，利用参数化设计语言A P D L ，首先建立了复合

4、材料层合板单钉连接接头的三维参数化累积损伤分析模型，模型综合考虑了接触非线性及螺栓预紧的连接实际情况，经对文献9 组不同铺层顺序及几何尺寸的单钉接头试验件进行失效分析及强度计算，所得结果均与试验结果吻合良好，验证了模型准确性：利用构建模型仿真得到的上述各接头层合板各铺层从损伤初始发生至接头最终失效的损伤扩展过程，详细分析了各接头层合板的损伤累积规律，并对比总结了层合板铺层顺序、接头尺寸、铺层数目对接头强度的影响。接着针对复合材料多钉连接钉载分配不均的问题，对多钉连接钉载分配情况进行了计算分析，给出了利用A N S Y S 接触分析功能进行钉载比例计算的具体方法和步骤；对复合材料多钉斜削搭接结构

5、载荷分配情况进行了研究，计算了两钉和三钉斜削搭接形式的钉载分配情况，并与传统等厚度搭接的载荷分配情况进行了比较分析，结果表明两种搭接类型接头均是层合板远离加载端螺栓承载低而靠近加载端的螺栓承载高的钉载分配趋势，但用于计算的斜削搭接接头钉载分配情况均优于对应等厚度搭接接头；在对比两种连接类型接头钉载分配的同时，探讨了螺栓直径配置对钉载分配的影响，结果表明降低靠近加载端螺栓直径有助于改善钉载比例，而无论是提高还是降低远离端螺栓直径对钉载比例分配改善都无帮助，甚至还会起到相反作用。最后基于前面建立的复合材料单钉连接累积损伤模型，构建了多钉连接累积损伤模型以用于预测多钉接头强度，对斜削搭接及等厚度搭接

6、形式下的等直I I接类型接头的连接效率方面均高于对接头若能在承载过接强度必然会高出连接效率T h ed e s i g no fc o m p o s i t em a t e r i a lj o i n t si st h ek e ys t e po fa i r c r a f ts t r u c t u r a ld e s i g n I no r d e rt or e d u c et e s t i n gc o s ta n dg u a r a n t e es t r u c t u r a ls a f e t y , d e v e l o p i n gn u

7、m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sw h i c hc a i lb eu s e dt op r e d i c tf a i l u r ea n ds t r e n g t ho fc o m p o s i t ej o i n t si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e ；F o rt h ep u r p o s eo fm a x i m u mp l a y i n gt h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo fc o m p o s i

8、 t em a t e r i a lS Ot h a tw h i c hC a nb ee x t e n s i v e l yu s e di nm a i nl o a d - b e a r i n ga i r c r a f tp a r t s ，i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n ga n dr e f e r e n c ev a l u ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n st oe x p l o r em e t h o d sa n

9、 dm e a s u r e so fi m p r o v i n gc o m p o s i t ej o i n te f f i c i e n c y T h i sp a p e rc a r r i e do nr e s e a r c ho na b o v em e n t i o n e d A st ob o l t e dj o i n t sw h i c ha l et y p i c a l l yu s e di na i r c r a f ts t r u c t u r a lc o m p o n e n t s ，f i r s t l yt h

10、 r e ed i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e dp r o g r e s s i v ed a m a g em o d e lo fs i n g l eb o l t - jo i n t e dc o m p o s i t el a m i n a t ew a sd e v e l o p e db yA P D L ( A N S Y SP a r a m e t e rD e s i g nL a n g u a g e ) b a s e do np r o g r e s s i v ed m n a g et h e

11、 o r ya n dt h et e c h n o l o g yp l a t f o r mo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S T h em o d e lt o o kb o t hn o n l i n e a rc o n t a c tb e h a v i o ra n db o l tt i g h t e n i n gi n t oc o n s i d e r a t i o n ，b yw h i c hf a i l u r e sa n ds t r e n g t

12、 ho fn i n eg r o u p so fs i n g l eb o l tj o i n t so fd i f f e r e n tl a y e rs e q u e n c e sa n dg e o m e t r i cd i m e n s i o n si nr e f e r e n c el i t e r a t u r ew e r ep r e d i c t e d T h er e s u l t so b t a i n e da g r e e dw e l l 丽t 1 1e x p e r i m e n t a lo n e s ，w h

13、i c hc e a i f i e dt h ev a l i d i t yo ft h ed e v e l o p e dm o d e l T h ed a m a g ea c c u m u l a t i v er u l e so fc o m p o s i t el a m i n a t e si na b o v ej o i n t sw e r ea n a l y z e dd e t a i l e db ys h o w i n gt h ed a m a g ee x t e n s i o np r o c e s s e so fl a m i n a

14、 t el a y e r si na b o v ej o i n t ss i m u l a t e df r o mt h ei n i t i a ld a m a g e st ot h ef i n a lf a i l u r eo c c u r r e dt ot h ej o i n t s A n de f f e c t so fl a y e rs e q u e n c e so fl a m i n a t e s ，j o i n td i m e n s i o n sa n dl a y e rn u m b e r so nj o i n i n gs

15、t r e n g t hw e r ec o m p a r e da n ds u m m e du p T h e nf o rt h ep r o b l e mo fu n e q u a lp i nl o a dd i s t r i b u t i o ni nm u l t i p l eb o l t - j o i n t e dc o m p o s i t el a m i n a t e ，t h ep i nl o a dd i s t r i b u t i o nw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d T h

16、em e t h o d sa n ds t e p so fc 鲥c u l a t i n gp i nl o a dr a t i o su s i n gt h ec o n t a c ta n a l y s i sf u n c t i o no fA N S Y Sw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l T h ep i nl o a dd i s t r i b u t i o no fm u l t i p l e b o l tI I IA B S T R A C Tb e v e l e d 1 a pc o m p o s i t ei o i n t sw a sr e s e a r c h e d P i nl o a dr a t i o si nt w oa n dt h r e eb o l t sb e v e l e d 1 a pi o i n t sw e r ec a l c u l a t e da n dw h i c hw e r ec o m p a r