CFRP/AL叠层构件干涉连接结构力学行为研究

摘要

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)由于其优异的力学性能，被大量使用在民用、军用飞机中。而铝合金在航天器中的使用率一直居高不下，二者叠层构件连接是不可避免的。诸多连接方式中干涉连接可以提高复合材料的连接强度、延长疲劳寿命。基于以上背景，本文针对CFRP/AL叠层构件干涉连接时，连接结构的孔周应力分布展开研究，得到孔周的应力分布模型，为以后分析叠层构件干涉连接结构的连接强度、疲劳寿命奠定基础。 首先，针对CFRP层合板干涉连接结构，采用平面弹性问题的复势方法进行孔周应力的分析，建立合理的孔周应力分布模型。通过ABAQUS有限元仿真模拟软件进行建模仿真验证，得到准确的CFRP板干涉连接时的孔周应力分布模型。再通过改变理论模型中螺栓孔径，从而改变连接结构的干涉量值，得到不同干涉量下孔周的应力分布。发现应力分布会随着孔周角度的变化呈现非均匀周期性变化，且应力峰值随着干涉量的增大而增大增人，不同干涉量下应力峰值出现的孔周角度位置是一致的。 其次，针对AL板干涉连接结构，同样采用平面弹性问题的复势方法进行干涉配合连接时的孔周应力分布分析，使用ABAQUS有限元仿真模拟软件，建立相对应的有限元模型进行仿真模拟，以验证理论模型的吻合性。得到准确的AL板干涉连接时的孔周应力分布模型。发现在AL板干涉连接过程中孔周径向应力、周向应力在孔周各角度处为恒定值，且无切向应力存在。 最后，将CRRP层合板和AL板进行叠层排布，建立叠层构件干涉连接时螺栓与板件孔壁的摩擦力模型以及接触界面摩擦力模型。同时，针对叠层构件接触界面CFRP端的孔周应力进行解析建模。通过ABAQUS仿真模拟软件，建立相对应的有限元模型进行仿真模拟验证，得到准确的叠层构件接触界面处CFRP端孔周应力分布模型。对于不同干涉量下的叠层构件干涉连接，利用有限元技术，对孔周0°～360°范围内叠层构件孔周应力分量进行研究，分析干涉量大小对叠层构件孔壁应力分布的影响。发现叠层构件干涉连接结构接触界面的应力分布相比于CFRP干涉连接结构应力在孔周各角度处有所减小，应力峰值随着干涉量的增大而增大，但应力峰值所出现的角度位置与CFRP干涉连接结构应力峰值角度位置一致。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1复合材料干涉连接孔周应力分布研究

1.2.2 AL板干涉连接孔周应力分布研究

1.3 CFRP/AL叠层构件干涉连接技术分析

1.4本文研究内容及方法

1.4.1 CFRP层合板干涉配合连接理论研究方法

1.4.2 AL板干涉配合连接理论研究方法

1.4.3 叠层构件干涉配合连接理论研究方法

1.5 论文架构与章节安排

2 CFRP干涉连接孔周应力分布分析

2.1 CFRP孔周应力解析建模

2.1.1高锁螺栓的形变位移分析

2.1.2复合材料的形变位移分析

2.1.3螺栓-孔周形变位移关系分析

2.1.4孔周应力分布分析

2.2有限元仿真模拟

2.2.1材料尺寸、属性及网格划分

2.2.2有限元仿真模拟结果

2.3结果与讨论

2.3.1解析模型的正确性验证

2.3.2干涉量对孔周应力分布的影响

2.4本章小结

3 AL板干涉连接孔周应力分布分析

3.1 AL板孔周应力分布解析建模

3.1.1高锁螺栓形变位移分析

3.1.2 AL板孔周形变位移分析

3.1.3螺栓-孔壁位移形变关系

3.2 AL板孔周应力分布有限元仿真模拟

3.2.1材料尺寸、属性及网格划分

3.2.2有限元仿真模拟结果

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4 CFRP/AL叠层构件干涉连接结构应力分布分析

4.1叠层构件干涉连接接触界面接触面摩擦力及径向应力解析建模

4.1.1叠层构件孔壁处摩擦力解析建模

4.1.2叠层构件接触界面摩擦力解析建模

4.1.3接触界面处CFRP端径向应力分布分析

4.2叠层构件干涉连接接触界面应力分布有限元模拟

4.2.1有限元模型设置及网格划分

4.2.2有限元仿真模拟结果

4.3结果与讨论

4.3.1叠层构件接触界面CFRP端应力分布解析模型准确性验证

4.3.2不同干涉量下接触界面CFRP端应力分布有限元分析

4.3.3不同干涉量下接触界面AL板端应力分布有限元分析

4.4本章小结

5总结与展望

5.1论文结论总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果