纤维金属层板铆接损伤与疲劳特性研究

摘要

纤维金属层板（Fiber Metal Laminates，FMLs）是由金属薄板和纤维复合材料交替铺层，在一定温度和压强下固化而成的复合材料，它综合了传统金属材料的良好弹塑性和纤维复合材料的比强度高、耐高温等力学特性。FMLs层板以其抗疲劳、抗腐蚀、比强度高和比刚度高的优越性逐渐替代传统材料。尽管FMLs铆接结构广泛应用于飞机蒙皮等领域，但对于FMLs铆接损伤机理及疲劳特性的国内外研究还很少见，因此该研究对FMLs铆接设计具有工程意义。本文以玻璃纤维金属层板铆接为研究对象，采用实验和有限元仿真相结合的方法，进行以下几项研究内容: (1)对铝合金和玻璃纤维增强复合材料进行了材料属性测量，并探究了各方向参数对玻璃纤维增强复合材料强度及失效的影响，了解复合材料失效机理，为其失效准则的选择提供依据。 (2)建立了完整的FMLs层板铆接三维有限元模型，在有限元模型中引入了三维Hashin渐进失效准则和层间开裂模型，对层板铆接受静载荷情况下的损伤进程进行预测，探究FMLs铆接多耦合损伤行为。FMLs铆接有限元模型和实验之间取得了很好的一致性，从损伤萌生到完全失效的连续性损伤机理行为相吻合，验证了3D Hashin损伤准则的准确性和模型参数的准确性，为层板铆接影响因素研究奠定基础。 (3)基于FMLs层板铆接3D有限元失效模型，开展了FMLs层板铆接剩余强度研究;结果表明:a/t=0情况下的层板损伤面积较大，从而降低了纤维金属层板铆接强;铝合金分数的增加能够提高层板铆接强度，但铝合金分数大于50％时铆接强度和铆接比强度反而下降;铺层数量越多，铆接孔自由端剥离程度越严重，削弱了层板铆接强度;预紧力的增大能够延缓纤维和基体的萌生，并且提升铆接刚度;随着W/D和E/D的递增层板铆接强度有所提高，但当W/D≥3或E/D≥3时，铆接强度的不再明显提高，层板铆接失效模式也维持为理想的挤压失效模式。 (4)进行了FMLs层板单搭铆接疲劳实验，了解其疲劳特性;得出在一定预紧力情况下，纤维金属层板单搭疲劳裂纹并不在孔边缘萌生扩展，而是在铆钉墩头边缘处更容易产生裂纹，同时对裂纹路径进行了铆接寿命预测。 (5)最后对某机翼蒙皮铆接强度分析和寿命可靠性预测，其中机翼长桁和工字梁的铆接处局部受力最大，其中三铆钉铆接能提高拉伸强度和缓解应力集中，但三铆钉铆接疲劳寿命可靠性反而下降。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1课题研究背景及意义

1．2．1纤维金属层板

1．2．2纤维金属层板铆接连接

1．2．3纤维金属层板铆接疲劳

1．3研究目标及内容

2材料本构模型及相关参数研究

2．1铝合金材料本构模型

2．1．1铝合金参数

2．1．2铝合金J-C本构模型

2．2复合材料本构模型

2．2．1复合材料参数

2．2．2复合材料失效准则

2．3复合材料参数研究

2．3．1复合材料拉伸模拟

2．3．2复合材料压缩模拟

2．4本章小结

3纤维金属层板单搭铆接损伤及其因素分析

3．1 纤维金属层板铆接模型建立

3．2纤维金属层板铆接模型验证

3．2．1纤维金属层板铆接实验

3．2．2纤维金属层板仿真结果

3．3．1二次弯曲

3．3．2铝合金占比

3．3．3复合材料铺层数量

3．3．4铆接预紧力

3．3．5孔边距

3．4纤维金属层板铆接疲劳试验

3．5 本章小结

4某机翼蒙皮铆接应用分析

4．1机翼结构强度分析

4．2 DFR寿命分析法

4．3铆接多孔DFR寿命可靠性预测

4．4本章小结

5结论

5．1 全文总结

5．2论文的创新点

5．3论文的不足之处

6展望

参考文献

8攻读硕士学位期间发表论文

致谢