复合材料加筋板螺栓连接结构的试验研究与有限元模拟

摘要

近几十年来，增强材料纤维和基体树脂的种类的不断增加和性能的不断提高，为复合材料的发展和应用奠定了原材料的基础，加上复合材料的成型工艺和制造技术的不断进步，这促进了高性能的复合材料的广泛应用，不断出现了大容量复合材料船舶，大功率的风力发电叶片。在航空领域复合材料更是材料设计人员的首选材料，大有取代传统金属材料的统治地位之势，从微承力或次承力部件到主承力部件，应用部位越来越多。复合材料与复合材料以及与其它材料的机械连接也越来越多，由于机械连接部位材料的不连续性和苛刻的应用条件，因此脆弱的螺栓连接部位的细节设计与分析至关重要。 在进行大型结构的整体分析时，一般忽略了螺栓连接结构的细节，因此在有限元分析结果中就不能准确显示接触部位薄弱的细节情况。在进行分析设计时往往会出现整体结构强度达到要求，而局部接触位置由于应力过于集中而出现破坏功能丧失。本文着重分析复合材料与金属连螺栓接结构在均布弯曲载荷下的接触分析。文中对单钉复合材料螺栓连接进行了试验研究，连续采集了螺栓连接结构中复合材料表面的应变数据，并对载荷与应变数据进行综合分析，考察了应变随时间和载荷变化的规律。通过此试验可以具体的显示复合材料的损伤的发生，扩展以及破坏的连续过程。将损伤开始的载荷作为单钉连接有限元模拟的载荷进行有限元接触分析，得出了复合材料孔的等效应力与文献报道的极为接近。说明了这种方法的有效性。 接着对工程上应用的复合材料与金属板连接结构进行不考虑螺栓的简化模型的线性模拟和完整模型的接触非线性模拟，对结构变形、应力及应变进行对比分析，发现简化模型不能显示接触部位受力细节，应用存在局限性。而少量加筋的单排螺栓连接复合材料结构刚度不够，厚度方向变形很大，局部应力过大，不能满足设计要求。为此，考虑通过增筋条数量和使用双排螺栓来提高结构的刚度和降低局部应力。新模型的有限元分析结果显示：应力应变结果均能满足设计要求。论文同时对摩擦系数和复合材料±45度铺层比例对螺栓载荷在X、Y、Z方向分配的影响进行了研究，考察了它们对载荷分配的影响规律。

目录

文摘

英文文摘

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第一章复合材料连接简介

1.1前言

1.2复合材料机械连接形式和破坏模式

1.3复合材料机械连接研究现状

1.4本文研究的内容、目的和意义

第二章单钉螺栓连接结构的实验研究

2.1 Ansys接触分析介绍

2.2单钉螺栓连接结构试验研究

2.3单钉螺栓连接结构有限元模拟

2.4本章小结

第三章复合材料加筋板螺栓连接结构的有限元分析

3.1复合材料加筋板螺栓连接结构简化模型与完整模型

3.2简化模型有限元线性模拟

3.3完整模型有限元非线性接触模拟结果与分析

3.4本章小结

第四章复合材料加筋板螺栓连接结构改进模型的非线性接触分析

4.1复合材料加筋板螺栓连接结构改进模型及有限元网格

4.2复合材料加筋板螺栓连接结构改进模型计算结果与分析

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

附录