复合材料螺栓连接数值分析及次弯曲效应研究

论文摘要

树脂基复合材料因为比强度和比刚度高、可设计性强等优异特性在航空航天领域得到广泛应用。在复合材料结构中连接问题不可避免,螺栓连接由于可靠性高、能够传递较大载荷等优点,成为复合材料结构中常用的连接方式。由于复合材料的脆性及各向异性,螺孔区域的应力较金属材料要复杂的多。复合材料接头破坏是引起结构失效的常见原因,其强度预测和失效分析一直以来是复合材料结构设计人员所关心的问题。本文以ANSYS为技术平台,利用有限元分析软件多方面地研究复合材料连接强度和失效问题,对于降低试验费用并保证连接设计的可靠性,具有一定的工程应用价值。本文从复合材料损伤机理出发,考虑各种失效模式之间的关联以及材料由拉伸、压缩不同损伤引起的刚度退化率的差异,建立累积损伤分析模型。为了验证该模型的准确性,首先对含孔复合材料层合板进行强度预测和失效分析,研究层合板各种参数对破坏载荷及失效的影响,并与文献试验值进行对比。在此基础上,利用本文建立的累积损伤模型,分析了铺层、拧紧力矩、配合间隙以及搭接方式等因素对单螺栓连接强度和失效的影响。与已有的研究不同,本文在应力分析时建立完整的螺栓连接接头三维有限元模型,并考虑了接头各种接触关系及摩擦行为,提高了应力计算精度。复合材料螺栓连接采用单剪切搭接时,由于偏心载荷引起的附加弯矩使得接头产生侧向位移并使螺栓发生倾斜,发生二次弯曲效应。失效分析表明,二次弯曲使得接头在孔边的接触压力沿厚度方向不均匀,螺栓—螺孔挤压区域发生改变,影响了接头的连接强度和失效模式。因此,在进行单搭接接头设计时必须考虑次弯曲量,本文将建立能够较为准确地模拟接头弯曲特性的有限元模型,研究接头各参数对次弯曲量的影响。本文分析表明,增加搭接区域长度、板厚以及拧紧力矩能够降低接头次弯曲量,而采用间隙配合使得次弯曲效应更加严重,二次弯曲效应一定程度上影响了接头的轴向拉伸刚度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 复合材料层合板强度预测及失效分析
• 1.2.2 复合材料螺栓连接研究概况
• 1.2.3 次弯曲效应研究
• 1.3 本文研究的主要内容及创新点
• 第2章 含孔复合材料层合板累积损伤分析
• 2.1 复合材料层合板的数值分析
• 2.2 累积损伤分析
• 2.2.1 累积损伤分析步骤
• 2.2.2 应力分析
• 2.2.3 失效分析
• 2.2.4 材料属性退化
• 2.3 含孔复合材料层合板强度预测及失效分析
• 2.3.1 层合板载荷—位移曲线对比及强度预测
• 2.3.2 层合板累积损伤分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 复合材料螺栓连接强度预测和失效分析
• 3.1 复合材料螺栓连接问题有限元分析
• 3.1.1 接触问题介绍
• 3.1.2 ANSYS模拟接触
• 3.2 复合材料螺栓连接累积损伤模型
• 3.2.1 复合材料螺栓接头几何模型
• 3.2.2 接头有限元模型
• 3.2.3 累积损伤分析
• 3.3 计算结果讨论
• 3.3.1 层合板铺层对连接强度和失效的影响
• 3.3.2 拧紧力矩对连接强度和失效的影响
• 3.3.3 配合间隙对连接强度和失效的影响
• 3.3.4 搭接方式对连接强度和失效的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 次弯曲效应的研究
• 4.1 次弯曲效应数值模拟
• 4.1.1 接头几何模型
• 4.1.2 次弯曲效应的有限元分析
• 4.2 计算结果分析
• 4.2.1 不同参数对接头次弯曲量的影响
• 4.2.2 接头层合板表面曲率的变化
• 4.2.3 接头各参数对轴向拉伸刚度的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录