升降舵后缘连接性能的试验研究与渐进失效分析

摘要

复合材料因其具有高强、轻质、抗腐蚀和耐疲劳等优点，广泛应用于航空、航天领域。飞机的安全性能一直是很受关注的问题，复合材料升降舵是尾翼的重要组成部分，其工作性能和承载能力需要准确的评价和估计。由于复合材料各向异性的特点，其损伤、失效行为比一般的金属材料的力学行为复杂得多。为了最大程度地利用复合材料的性能，有必要对复合材料升降舵后缘的连接强度做深入的强度分析。
　　本文介绍了复合材料层压板强度预测的基本理论，结构的分析和设计都是基于经典的单模量理论的，即认为材料的拉伸弹性模量与压缩弹性模量相等。然而复合材料不同程度地表现出拉压不同的弹性性质，忽略材料的非线性很可能会导致计算的错误。本文针对复合材料的拉压模量不等的性质，采用Ambartsumyan的本构模型，根据材料所处的应力状态来选择适当的刚度矩阵。以三维 Hashin准则作为单向层压板的失效判据，选择Camanho的刚度折减模型，编写了UMAT子程序，并对复合材料销钉连接结构这一典型算例进行了理论计算，预测的载荷位移曲线与试验结果吻合良好。
　　对4种尺寸不同的复合材料升降舵后缘局部蜂窝夹层结构铆接连接进行了后缘拉脱试验，并对试验件进行了三维建模，考虑了复合材料的双模量材料特性、渐进损伤失效和铆钉与复合材料层压板间的接触。有限元计算的失效载荷与试验吻合良好，可以为复合材料升降舵结构强度的设计及改型提供可靠的依据。进一步对复合材料升降舵盒段进行了后缘强度静力试验，发现上下壁板的弯曲破坏导致了整个结构承载能力的失效。有限元模拟的变形情况与试验一致，通过分析发现上下壁板的刚度对载荷的传递有很大影响，而复合材料面板的厚度对上下壁板的刚度有着直接影响，该结论可以对升降舵盒段上下壁板面板厚度的优化分析提供参考。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本文研究的主要内容

第二章 考虑双模量影响的复合材料销钉连接失效分析

2.1 问题描述

2.2 双模量材料特性

2.3 有限元模型

2.4 单层失效准则与刚度折减方案

2.5 结果分析

2.6 结论

2.7 本章小结

第三章 蜂窝夹层结构后缘铆接连接强度试验研究

3.1 试验件介绍

3.2 复合材料后缘拉脱静力试验

3.3 试验结果分析

3.4 本章小结

第四章 蜂窝夹层结构复合材料后缘铆接连接数值模拟

4.1 复合材料上下壁板的内外侧面板仿真

4.2 复合材料平面织物的材料常数

4.3 平面编织结构渐进损伤

4.4 蜂窝夹层结构仿真

4.5 边界条件及载荷

4.6 有限元模型模拟结果

4.7 本章小结

第五章 升降舵盒段后缘连接强度试验研究与有限元仿真

5.1 复合材料升降舵盒段后缘连接强度试验

5.2 复合材料升降舵盒段后缘连接强度有限元仿真

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 本文创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表的论文