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含充填孔复合材料层压板压缩力学特性及强度预测

作　者: 陈铖
导　师: 余音；张晓晶
学　校: 上海交通大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 复合材料充填孔螺栓连接压缩载荷强度预测
分类号: V229.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

机械连接是复合材料主承力结构中普遍采用的一种连接方式,但紧固件会在螺栓周围引入较为复杂的应力场,降低结构的承载能力,破坏往往发生在连接接头位置。含充填孔复合材料层压板为复合材料机械连接的基本形式,该构型表示机械连接中螺栓不传力的特殊情况。另外,现有大部分复合材料飞机结构设计仍基于开孔压缩的许用值。就机械连接而言,将螺栓孔处理为开孔的假设过于保守,充填孔情况更能代表紧固件孔局部的应力状态,采用充填孔压缩许用值能够提高结构承载能力。大量试验结果表明,6mm直径的孔(拉伸载荷为开孔、压缩载荷为充填孔)可代表复合材料结构件在出厂检验时允许存在的初始缺陷,例如孔隙率、分层等。可用含直径6mm孔的典型结构铺层试样得到相应拉伸及压缩静强度许用值。因此,对含充填孔复合材料层压板受压缩载荷下力学响应的研究具有重要的意义。本文首先基于复合材料层压板与填充螺栓之间的载荷分配情况,提出一种估算含充填孔复合材料层压板压缩极限强度的方法。分别利用复变函数方法及有限元分析方法得出了含充填孔复合材料层压板受单向压缩载荷下载荷分配系数的计算方法,并分析了铺层顺序、填充螺栓刚度等因素对层压板应力分布的影响。同时,本文开展了三种铺层T700/LT-03A碳纤维复合材料层压板开孔和充填孔压缩极限强度试验。试验结果表明,含充填孔层压板压缩强度较开孔压缩极限强度提高约30%左右。与试验结果相比,本文方法的预测值较为保守,且预测误差小于5%;此外,对文献中的T800/3900-2层压板试验数据进行分析,预测误差小于5%,说明该方法能较好地预测含充填孔复合材料层压板压缩极限强度,具有一定的工程应用意义。在此强度预测方法的基础上,本文分析了间隙量及拧紧力矩对含充填孔复合材料层压板力学性能及其压缩极限强度的影响;得出了二者对载荷分配系数的影响系数,用以预测层压板极限承载能力。此外,本文假设当间隙量及拧紧力矩同时作用于层压板时,二者之间耦合关系较小,可通过二者影响系数叠加的方式得到二者同时作用于层压板时的影响系数,从而预测其极限承载能力。通过与文献结果进行比较,该方法预测结果与试验值较为接近,可以较为准确地估算同时受到间隙量及拧紧力矩作用时含充填孔复合材料层压板的压缩极限强度。

含充填孔复合材料层压板压缩力学特性及强度预测

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