碳纖維復合材料連接結構的失效強度及主要影響因素分析.pdf

1、碳纖維復合材料具有優(yōu)異的力學性能，其比強度高、比剛度高，燒蝕性能好，因此一直廣泛用于航天航空領域。隨著制備工藝的日益成熟，碳纖維復合材料逐步由軍用領域轉向工業(yè)及民用領域，如汽車制造業(yè)、建筑業(yè)和運動休閑產品等。這種被稱作“黑色黃金”的復合材料在未來民用領域將具有更廣泛的應用前景。在碳纖維復合材料的大型結構設計中，接頭是不可缺少的設計環(huán)節(jié)。碳纖維復合材料為脆性材料且各向異性，同時復雜多樣的纖維結構形式與連接參數(shù)使碳纖維復合材料連接結構的設計

2、比傳統(tǒng)金屬連接結構的復雜很多。一般接頭的類型有機械連接、膠接和膠螺混合連接三種。機械連接具有較好的可拆卸性、易檢修、對界面要求低且對使用環(huán)境要求不高等優(yōu)點。因此，機械連接形式被廣泛應用于復合材料的連接結構中。在眾多碳纖維復合材料中，碳/碳復合材料具有優(yōu)異的超高溫性能，從而使其在防熱結構中得以廣泛應用；三維六向編織復合材料具有優(yōu)異的層間性能，而關于這兩類碳纖維復合材料機械連接結構的研究尚不充分。據(jù)此確立了本文的研究內容，即分別以碳/碳復合

3、材料和三維六向編織復合材料這兩種碳纖維復合材料為研究對象，通過試驗和數(shù)值模擬方法研究其機械連接結構的力學性能，為此類碳纖維復合材料連接結構的設計提供參考依據(jù)。本文的主要研究內容如下：
　　首先，對碳/碳復合材料開孔(開口)板這一基礎結構類型在拉伸載荷下的力學性能進行試驗測試分析，獲得碳/碳復合材料開孔板的拉伸強度，揭示碳/碳復合材料開孔板的失效是由拉伸引起的纖維斷裂造成。同時基于點應力準則，建立數(shù)值模擬分析模型，預報碳/碳復合材料

4、開孔結構的極限破壞載荷，獲得開孔結構的拉伸特征長度。最后在驗證數(shù)值模型有效性之后，利用該分析模型對碳/碳復合材料開孔結構進行模擬分析，獲得該材料對缺口不敏感。
　　然后，為了進一步分析碳/碳復合材料的擠壓強度，對單螺栓連接雙剪搭接這一連接結構形式的擠壓強度進行測試，得到側向約束對擠壓強度的影響，同時獲得不同連接結構形式下的破壞模式；揭示連接結構的失效機理。建立基于Hashin破壞準則及粘接單元的漸進損傷分析模型，通過與試驗的對比確

5、定了數(shù)值模型的可靠性后，對雙剪連接結構參數(shù)(包括幾何參數(shù)和預緊力)進行模擬分析，給出雙剪搭接連接結構設計的參考值。
　　接著，基于雙剪搭接連接結構的分析，進一步對碳/碳復合材料單(多)螺栓單剪搭接連接結構在面內拉伸載荷下的力學性能進行測試分析。由于單剪連接結構形式的原因，造成加載過程中出現(xiàn)二次彎曲現(xiàn)象，使連接結構的破壞載荷比雙剪連接結構低。分析側向約束、幾何參數(shù)和連接形式對其破壞模式及破壞載荷的影響規(guī)律，進而測試分析單排雙列與雙排

6、單列兩種多螺栓連接結構的破壞載荷，建立單剪連接結構的數(shù)值分析模型。隨后對單剪搭接連接結構的幾何參數(shù)對連接結構承載能力的影響進行討論分析，獲得單剪搭接連接結構設計的幾何參考值。
　　最后，對三維六向編織復合材料單(多)螺栓單剪連接結構形式在拉伸載荷下的力學性能進行試驗分析，給出螺栓連接結構的側向約束面積與預緊力的大小對連接結構最終力學性能影響；確立其連接結構的失效機理?；谔卣髑€及Yamada-sun的有限元分析方法，對三維六向編