碳纤维复合材料连接结构的强度分析及其影响因素

摘要........................................................................................................................I Abstract....................................................................................................................II 第1章绪论.. (1)

1.1课题背景 (1)

1.2复合材料机械连接的破坏模式 (2)

1.3国内外研究现状 (2)

1.4本文主要研究内容 (4)

第2章准静态下复合材料损伤演化行为 (8)

2.1破坏准则及损伤演化模型 (8)

2.1.1Hashin损伤准则 (8)

2.1.2刚度衰减 (10)

2.2坐标转换 (11)

2.3损伤模型的有限元实现 (12)

2.4本章小结 (14)

第3章双（单）剪单螺栓连接结构强度数值分析 (15)

3.1双剪单螺栓连接基础模型 (15)

3.1.1几何模型 (15)

3.1.2材料模型 (17)

3.1.3接触与边界条件 (18)

3.1.4单元与网格 (20)

3.1.5模型有效性验证 (21)

3.2单剪单螺栓连接基础模型 (23)

3.2.1几何模型 (23)

3.2.2材料模型 (24)

3.2.3接触与边界条件 (25)

3.2.4单元与网格 (25)

3.2.5模型有效性验证 (26)

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

3.3修正系数 (28)

3.3.1双剪凸头单螺栓模型端距影响因素 (29)

3.3.2双剪凸头单螺栓模型厚度影响因素 (33)

3.3.3双剪凸头单螺栓模型钉孔直径影响因素 (38)

3.3.4单剪凸头单螺栓模型厚度影响因素 (43)

3.3.5单剪凸头单螺栓模型钉孔直径影响因素 (48)

3.3.6单剪埋头单螺栓模型厚度影响因素 (52)

3.3.7单剪埋头单螺栓模型钉孔直径影响因素 (57)

3.4双（单）剪单螺栓连接参数讨论 (60)

3.5本章小结 (62)

第4章双剪多螺栓连接强度分析 (63)

4.1修正系数 (63)

4.1.1双剪凸头双螺栓模型间距影响因素 (63)

4.1.2双剪凸头双螺栓模型端距影响因素 (68)

4.2双剪单（多）螺栓连接参数讨论 (72)

4.3本章小结 (72)

结论 (74)

参考文献 (76)

致谢 (81)

第1章绪论

1.1课题背景

复合材料是一种性能优异的工程材料，随着技术的日新月异，由于越来越高的工艺制造要求，传统的纯金属材料和合金材料已经不能满足越来越高的工业要求，复合材料是一种极具潜力的材料，从上个世纪40年代开始兴起，在1942年由美国最先应用于飞机雷达的天线罩，以此克服金属材料不能透波的缺点。随后，由于复合材料高强度，高刚度，质轻，耐腐蚀，及具有较好的结构整体性的特点，作为材料领域的“黑色黄金”，它在航空航天，船舶，汽车及医用等各个领域的应用已经屡见不鲜。

自上个世纪80年代，复合材料在民用飞机上的应用历史已达30多年，在2013年6月首飞的空客A350复合材料的应用率已经高达53%，如图1-1所示。工业上对于复合材料的大量需求推动了复合材料产业的迅猛发展，复合材料的性能也越来越优化，其结构的整体性也越来越好。尽管如此，受复合材料的结构设计、制备、制造成本和检修等因素的限制，在大规模结构中连接结构仍是不可避免的[1,2]。

图1-1复合材料在空客A350飞机中的应用[48]

复合材料的连接方式一般有三种，分别是机械连接，胶接连接，胶螺混合连接。而目前最主要的连接方式是机械连接和胶螺混合连接，因为机械连接方式可靠性较好且更换容易。比如波音747飞机，其连接件高达300万多个；而被称为“猛禽”的F-22战斗机的机翼上竟有14000多个连接孔。因此作为复合材料大型结构中必不可少的机械连接，其必然是整体结构中的薄弱环节。在实际的工程应用中，对于复合材料的机械连接的强度分析就十分重要，而对于其强度的影响因素也很多。