纤维复合材料混合连接结构的强度及其参数敏感性分析

纤维复合材料混合连接结构的强度及其参数敏感性分析 由于复合材料的可设计性强以及轻量化等优势使其在国防军事等相关工业 领域有着普遍的应用,而广泛应用在大规模结构的现状也使得复合材料连接结构 成为不可避免的研究重点。本文以复合材料 H 型夹芯接头作为主要研究对象,在 三种连接形式和三种工况下对应力、损伤分布以及破坏模式等力学性能的影响进 行深入分析;而后研究几何尺寸参数和连接参数对接头的影响规律,从而为工程 实际中复合材料连接结构的优化设计和承载能力的提高提供指导性建议。本文主要研究内容如下:首先,深入研究了复合材料机械和混合连接结构在 国内外的主要发展情况,结果发现在孔径、预紧力、铺层顺序及比例等诸多因素 变化时对连接结构的强度和破坏模式等方面都有着不同的影响规律,所以研究各 参数变化对复合材料连接结构力学性能的影响有着很重要的科研价值。其次,主 要对Hashin失效准则的发展历程进行了介绍，同时讲述了二维以及三维下应力 和应变形式的Hashin准则具体公式。接着建立损伤变量代入到刚度衰减矩阵中，从而不断迭代收敛直至判定接头 完全失效，并且给出了子程序的流程图;最后采用参数化建模的方式完成对复合 材料单钉双剪接头的前处理工作，运用Hashin准则对此接头进行破坏校核，并进 行相应的拉伸实验，发现二者结果吻合较好，从而验证了所用准则和参数化建模 方式的准确性。然后，针对三种连接形式的复合材料H型夹芯接头在不同工况下 进行分析，可以发现拉伸工况下以拉伸损伤破坏为主，而压缩和弯曲工况下以挤 压损伤为主。在拉伸和弯曲工况下，混接接头的强度比单纯胶接和螺接都要大;然而压缩 工况下因为胶层的提早破坏，使得H型接头的载荷传递作用部分失效，其强度相 比螺接要低些,但是仍比胶接要高。同时还对不同工况和连接形式下接头的破坏 模式和危险区域进行了总结。接下来，主要研究两种几何尺寸参数变化对H型夹芯胶接接头应力水平因子 的影响,结果表明,腹板高度的增加直接提高了接头的截面惯性矩和载荷大小,使 得在拉压工况下接头各部件应力水平会明显提高，而弯曲工况下应力反而有所下 降;腹板厚度的增加反使接头各部件应力下降，并且胶层的S13和S33对两尺寸参 数变化均不敏感。最后，针对三种连接参数变化对H型夹芯混接接头的强度和损 伤分布影响研究，结果发现单一参数变化下，胶层厚度和端距的增加均可使接头 强度有所提升，但到一定程度后不再有提高;然而螺孔半径的增加使得H型接头 上的应力集中更加明显也使得强度大幅降低，双参数变化时的结果与单参也可做 到相互印证。同时可以看出，孔径和端距的敏感性相比胶层厚度来说要强很多，间接表明 混接接头中螺栓连接形式较之胶接占主要影响作用。