含沉头孔碳纤维复合材料层板孔边应力分布规律研究

摘要

目前，随着汽车轻量化技术在汽车产业的广泛应用，汽车轻量化材料—碳纤维复合材料也在汽车产业大量的应用，应用前景很明朗。应用中不可避免复合材料连接问题，尤其机械连接中开孔必然造成孔边应力集中，还可能存在制孔缺陷，为汽车安全埋下隐患。本文针对碳纤维复合材料层板沉头孔应力分布及孔边应力集中的相关问题进行了研究，为碳纤维复合材料车身轻量化技术的应用，以及车身轻量化结构的设计与优化，提供一定的理论技术支撑。本文主要做了以下工作：
　　首先，建立了带有沉头孔的复合材料层合板的分析模型，研究了渐进损伤模型与内聚力模型相结合模型分析方法(P-C模型分析法)，并验证了该分析法的有效性。与文献实验对比，预测承载力很准确，误差最大1%以内；预测失效形貌与试验件破坏后的形貌很好吻合。
　　其次，分析了影响沉头孔边应力集中的因素，如板宽、板厚、孔半径、沉头角度、沉头深度及铺层角度，添加了本文研究亮点沉头孔制造垂直度误差因素。通过因子分析与多变量非线性拟合方法，得到复合材料层压板开沉头孔有效、准确的应力集中方程，并进行验证。基于含有沉头孔FEA结果，发现最大应力集中系数Kt发生在沉头孔与直孔过渡区域。
　　最后，复合材料层压板开沉头孔孔边应力集中，可能导致较高层间应力，造成孔边细微分层损伤的二次扩展。研究了含有沉头孔复合层压板连接结构在螺栓预紧过程中的分层起始和扩展。当复合材料层合板的沉头孔周围有预埋分层时，分层在螺栓预紧过程中容易扩展。分层大小因子，板沉头角度和分层深度位置对复合层压板的分层起始扩展行为有显著影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本章小结

2 碳纤维复合材料建模方法与实验验证

2.1 引言

2.2 渐进损伤模型

2.3 内聚力模型方法

2.4 有限元P-C模型及试验验证

2.5 本章小结

3 复合材料层合板沉头孔孔边应力集中分析

3.1 引言

3.2 复合材料孔边应力集中

3.3 复合材料孔边应力集中分析

3.4 应力集中系数制定与分析研究

3.5 SCF方程验证

3.6 本章小结

4 沉头孔边应力集中影响分层损伤扩展分析

4.1 引言

4.2 典型复合材料车身连接结构及简化

4.3 有限元模型

4.4 分层起始及扩展影响因素分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢