碳纤维复合材料连接结构的失效强度及主要影响因素分析

摘要

碳纤维复合材料具有优异的力学性能，其比强度高、比刚度高，烧蚀性能好，因此一直广泛用于航天航空领域。随着制备工艺的日益成熟，碳纤维复合材料逐步由军用领域转向工业及民用领域，如汽车制造业、建筑业和运动休闲产品等。这种被称作“黑色黄金”的复合材料在未来民用领域将具有更广泛的应用前景。在碳纤维复合材料的大型结构设计中，接头是不可缺少的设计环节。碳纤维复合材料为脆性材料且各向异性，同时复杂多样的纤维结构形式与连接参数使碳纤维复合材料连接结构的设计比传统金属连接结构的复杂很多。一般接头的类型有机械连接、胶接和胶螺混合连接三种。机械连接具有较好的可拆卸性、易检修、对界面要求低且对使用环境要求不高等优点。因此，机械连接形式被广泛应用于复合材料的连接结构中。在众多碳纤维复合材料中，碳/碳复合材料具有优异的超高温性能，从而使其在防热结构中得以广泛应用；三维六向编织复合材料具有优异的层间性能，而关于这两类碳纤维复合材料机械连接结构的研究尚不充分。据此确立了本文的研究内容，即分别以碳/碳复合材料和三维六向编织复合材料这两种碳纤维复合材料为研究对象，通过试验和数值模拟方法研究其机械连接结构的力学性能，为此类碳纤维复合材料连接结构的设计提供参考依据。本文的主要研究内容如下：
　　首先，对碳/碳复合材料开孔(开口)板这一基础结构类型在拉伸载荷下的力学性能进行试验测试分析，获得碳/碳复合材料开孔板的拉伸强度，揭示碳/碳复合材料开孔板的失效是由拉伸引起的纤维断裂造成。同时基于点应力准则，建立数值模拟分析模型，预报碳/碳复合材料开孔结构的极限破坏载荷，获得开孔结构的拉伸特征长度。最后在验证数值模型有效性之后，利用该分析模型对碳/碳复合材料开孔结构进行模拟分析，获得该材料对缺口不敏感。
　　然后，为了进一步分析碳/碳复合材料的挤压强度，对单螺栓连接双剪搭接这一连接结构形式的挤压强度进行测试，得到侧向约束对挤压强度的影响，同时获得不同连接结构形式下的破坏模式；揭示连接结构的失效机理。建立基于Hashin破坏准则及粘接单元的渐进损伤分析模型，通过与试验的对比确定了数值模型的可靠性后，对双剪连接结构参数(包括几何参数和预紧力)进行模拟分析，给出双剪搭接连接结构设计的参考值。
　　接着，基于双剪搭接连接结构的分析，进一步对碳/碳复合材料单(多)螺栓单剪搭接连接结构在面内拉伸载荷下的力学性能进行测试分析。由于单剪连接结构形式的原因，造成加载过程中出现二次弯曲现象，使连接结构的破坏载荷比双剪连接结构低。分析侧向约束、几何参数和连接形式对其破坏模式及破坏载荷的影响规律，进而测试分析单排双列与双排单列两种多螺栓连接结构的破坏载荷，建立单剪连接结构的数值分析模型。随后对单剪搭接连接结构的几何参数对连接结构承载能力的影响进行讨论分析，获得单剪搭接连接结构设计的几何参考值。
　　最后，对三维六向编织复合材料单(多)螺栓单剪连接结构形式在拉伸载荷下的力学性能进行试验分析，给出螺栓连接结构的侧向约束面积与预紧力的大小对连接结构最终力学性能影响；确立其连接结构的失效机理。基于特征曲线及Yamada-sun的有限元分析方法，对三维六向编织复合材料连接结构的参数展开模拟分析，给出了其单剪连接结构设计的参考值。

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中文摘要

英文摘要

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第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2复合材料机械连接破坏模式

1.3影响复合材料机械连接强度的主要因素

1.4复合材料机械连接静力分析

1.5存在的问题

1.6本文主要研究内容

第2章 碳纤维复合材料开孔(开口)板在拉伸载荷下的力学性能分析

2.1引言

2.2碳纤维复合材料开孔(开口)板的拉伸试验

2.3碳纤维复合材料开孔板的数值分析

2.4碳纤维复合材料开孔结构参数讨论

2.5碳纤维复合材料开孔板拉伸破坏机理

2.6本章小结

第3章 碳纤维复合材料单螺栓双剪连接结构测试与破坏模式的评价分析

3.1引言

3.2碳纤维复合材料单螺栓双剪连接结构的挤压强度

3.3碳纤维复合材料单螺栓双剪连接结构的数值分析

3.4碳纤维复合材料单螺栓双剪连接参数讨论

3.5本章小结

第4章 碳纤维复合材料单(多)螺栓单剪连接结构的力学性能分析

4.1引言

4.2碳纤维复合材料单(多)螺栓单剪连接结构的拉伸性能测试

4.3碳纤维复合材料多螺栓单剪连接结构钉载分配理论分析

4.4碳纤维复合材料单(多)螺栓单剪连接结构的数值分析

4.5碳纤维复合材料单(多)螺栓单剪连接参数讨论

4.6本章小结

第5章 碳纤维编织复合材料单(多)螺栓单剪连接性能评价与分析

5.1引言

5.2碳纤维编织复合材料单(多)螺栓单剪连接结构的拉伸试验

5.3碳纤维编织复合材料单(多)螺栓单剪连接结构的数值分析

5.4碳纤维编织复合材料单(多)螺栓单剪连接参数讨论

5.5本章小结

结论

本文的主要创新点如下：

下一步工作展望：

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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