复合材料多钉连接结构钉载分配比例研究

摘要

随着复合材料在航空航天领域中的广泛应用，不可避免的出现了复合材料的连接问题，其中适用于主承力构件的复合材料板主要采用机械连接方式。目前，对复合材料多钉机械连接结构的研究热点有各钉载荷分配比例及连接强度分析两个方面，其中复合材料连接结构各钉载荷分配的不均匀性会影响结构连接强度，因此，如何提高连接结构的载荷分配均匀化程度是具有实际应用价值的研究课题。
　　在分析复合材料多钉连接结构载荷分配比例时，采用传统弹性力学方法原理清晰、计算简便，可以准确预测结构的载荷分配情形，但是该方法的适用范围较窄。本文考虑钉孔间隙、螺栓预紧力及连接板间摩擦系数等因素的影响，提出了用于多钉机械连接结构钉载分配比例计算的改进弹性力学方法。通过与三维精细有限元模型计算结果对比发现，改进的弹性力学方法可以准确预测多钉机械连接结构载荷分配比例。同时分析不同螺栓预紧力及钉孔间隙对复合材料多钉连接结构载荷分配比例的影响，论证了对传统弹性力学方法进行改进的必要性。而后基于有限元方法讨论了层合板及螺栓参数对载荷分配比例的影响趋势，从载荷分配均匀化的角度给出了合理的参数选择方案。最后，结合改进的弹性力学方法与渐进损伤分析模型对复合材料多钉连接结构进行载荷分配优化设计，通过改变钉孔间隙提出单搭接及双搭接情形下的优化构型，显著提高了连接结构的承载能力。