复合材料层合板螺栓连接挤压性能表征分析及夹具研究

摘要

随着纤维增强树脂基复合材料的广泛应用，复合材料结构在各领域内已由最初的非承力结构逐渐发展成为主承力结构。但研究表明：当结构发生失效与破坏时，60-80％均出现在连接处。因此，复合材料部件间的连接设计，特别是被广泛采用的螺栓连接设计就显得尤为重要。由于连接时层合板开孔周围的应力状态十分复杂，从而导致结构的失效模式复杂而多样。一直以来，如何合理地确定螺栓连接结构的设计许用值，提高复合材料螺栓连接结构的可靠性和安全性都是结构设计师的研究热点。因此，对比分析层合板螺栓连接结构挤压性能测试标准并对其进行改进设计，建立宏-细观相结合的数值分析方法，准确地测试并表征分析层合板螺栓连接结构的挤压性能，对实现复合材料螺栓连接结构的安全可靠设计具有重要的指导意义。
　　本文从试验与数值分析两个方面出发，首先，针对现有的层合板螺栓连接结构挤压性能测试标准，从多个角度对其进行对比分析，明确科学合理的测试方法，准确地评价层合板螺栓连接结构的挤压性能；其次，结合改进的通用单胞模型（通用单胞模型即：Generalized Method of Cells——GMC），建立层合板螺栓连接结构的宏-细观渐进损伤数值分析方法，从细观角度揭示连接结构的破坏机理，开展层合板螺栓连接结构挤压性能影响因素的研究；最后，表征分析测试夹具对测试结果的影响并进行测试夹具的改进设计与研究，具体研究内容如下：
　　1、开展层合板螺栓连接结构挤压性能标准测试方法的试验研究与分析。根据美国标准ASTM D5961，国家标准GB/T7559和航空标准HB7070，进行层合板螺栓连接结构的挤压性能测试试验；在试验过程中，对比分析了HB7070、GB7559、ASTM D5961-A三种复合材料层合板双剪搭接螺栓连接结构挤压性能测试标准，给出了ASTM D5961-A测试标准测量精度高的原因，同时揭示了单剪挤压强度值较双剪挤压强度值偏低的机理。
　　2、建立层合板螺栓连接结构强度预报的宏-细观数值分析方法。结合改进的GMC模型，建立复合材料宏观性能与细观组份材料性能之间的关系；基于通用有限元分析软件及其用户自定义子程序实现考虑细观组分材料性能的层合板螺栓连接结构挤压性能宏-细观渐进损伤分析；研究网格的划分方式、组分材料的失效准则以及材料性能的衰减因子对数值分析结果的影响，并将分析预报结果与宏观实验数据进行比对，验证并得以修正模型的准确度，为后续的层合板螺栓连接结构挤压性能的表征分析及测试夹具的改进设计奠定基础。
　　3、进行单钉双剪层合板螺栓连接结构性能的表征分析及测试夹具研究。针对ASTM D5961-A测试标准，建立考虑细观组分材料性能的单钉双剪层合板螺栓连接结构挤压性能的宏-细观渐进损伤数值分析模型。基于该模型，针对复合材料层合板螺栓连接结构拉伸试验，给出了复合材料层合板的细观结构对复合材料层合板螺栓连接结构挤压性能的影响规律，其初始强度模拟结果与试验数据吻合较好。
　　4、进行单钉单剪层合板螺栓连接结构性能的表征分析及测试夹具研究。根据ASTM D5961-B测试标准，进行单钉单剪层合板螺栓连接结构的挤压性能测试，将其测试结果与基于ASTM D5961-A测试标准的单钉双剪层合板螺栓连接结构挤压性能的测试结果进行对比，分析不同测试标准下层合板螺栓连接结构挤压性能的差异；针对层合板单剪搭接螺栓连接结构ASTM D5961-B标准测试夹具进行了多处改进，增加了夹具的有效刚度，确保试件处于单剪加载状态，有效地降低了测试数据的分散性。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3目前存在的问题

1.4本文主要研究内容

第2章 层合板螺栓连接结构挤压性能标准测试方法的试验研究与分析

2.1引言

2.2测试标准特点归纳

2.3测试标准对比分析

2.4本章小结

第3章 层合板螺栓连接结构强度预报的宏-细观数值分析方法

3.1引言

3.2单胞模型理论

3.3层合板螺栓连接结构强度预报的宏-细观数值分析方法

3.4本章小结

第4章 单钉双剪层合板螺栓连接结构性能的表征分析与测试夹具研究

4.1引言

4.2数值分析模型

4.3表征分析

4.4本章小结

第5章 单钉单剪层合板螺栓连接结构性能的表征分析及测试夹具研究

5.1引言

5.2基于ASTM D5961-B标准的层合板单剪连接结构性能测试

5.3数值模型的建立与验证

5.4表证分析

5.5测试夹具的改进设计与试验验证

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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