[發(fā)明專利]一種基于三參數(shù)特征曲線的復(fù)合材料多釘雙剪連接失效預(yù)測方法

有效

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• 申請日: 2013-06-25
• 公開（公告）號: CN103335886A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張建宇;劉豐睿;趙麗濱;山美娟
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/24
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉;顧煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料多釘雙剪連接結(jié)構(gòu)的失效預(yù)測，適用于航空航天飛行器中廣泛使用的復(fù)合材料多釘雙剪連接結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

先進(jìn)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，其強(qiáng)度直接影響復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的承載能力。復(fù)合材料連接主要分為膠接連接和機(jī)械連接，機(jī)械連接又分為單剪連接和雙剪連接，其中雙剪連接由于不存在偏心彎矩，能夠承受更大載荷，具有更廣泛的應(yīng)用。目前在飛行器的復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)中，機(jī)械連接仍是主要的連接方法，因此對其強(qiáng)度和剛度的分析無論對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是強(qiáng)度校核都是十分重要的。

特征曲線方法是工程上常用的復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度分析方法，它認(rèn)為具有一定材料鋪層和幾何尺寸的層壓板，在一定孔徑的孔周圍存在一條特別的曲線，當(dāng)這條曲線上任意一點(diǎn)的破壞系數(shù)達(dá)到1時，結(jié)構(gòu)發(fā)生最終破壞，并且可以根據(jù)該點(diǎn)的位置預(yù)測其失效模式。

經(jīng)典特征曲線方法由Chang提出，目前在工程上應(yīng)用廣泛，他采用拉伸特征尺寸與壓縮特征尺寸來確定余弦分布形式的特征曲線，其表達(dá)式為：

r_c(θ)＝r₀+R_t+(R_c-R_t)cosθ????-90°≤θ≤90°

其中，R_t和R_c分別為拉伸特征尺寸和壓縮特征尺寸，由試驗(yàn)確定。r₀為關(guān)鍵孔半徑，θ為從復(fù)合材料多釘雙剪連接的縱向壓縮平面逆時針向拉伸平面方向旋轉(zhuǎn)的角度，如圖1所示。而連接結(jié)構(gòu)失效模式則按照θ的位置確定：當(dāng)0°≤|θ|≤15°時，為擠壓失效；當(dāng)30°≤|θ|≤60°時，為剪切失效；當(dāng)75°≤|θ|≤90°時為拉伸失效。

經(jīng)典特征曲線僅通過拉伸特征點(diǎn)和壓縮特征點(diǎn)，并未考慮剪切特征點(diǎn)的影響，存在誤判失效模式并給出完全錯誤的極限載荷預(yù)測結(jié)果情況。由于復(fù)合材料連接的剪切破壞模式和拉伸破壞模式將引起復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的突然破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性破壞，而擠壓破壞模式則擴(kuò)展較為緩慢而能提供一定的預(yù)警，因而在復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在滿足結(jié)構(gòu)安全情況下期望的可能破壞方式為連接結(jié)構(gòu)擠壓破壞或以擠壓破壞為主的失效模式。由此可見，正確預(yù)測復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的失效模式和失效載荷對于結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于三參數(shù)特征曲線的復(fù)合材料多釘雙剪連接失效預(yù)測方法，該方法中的三參數(shù)特征曲線在原有經(jīng)典特征曲線表達(dá)式上增加了一個考慮剪切特征尺寸影響的附加項(xiàng)，使得新的三參數(shù)特征曲線對復(fù)合材料多釘雙剪連接結(jié)構(gòu)失效模式和破壞載荷的預(yù)測更加準(zhǔn)確。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種基于三參數(shù)特征曲線的復(fù)合材料多釘雙剪連接失效預(yù)測方法，包括以下步驟：

第一步，基于復(fù)合材料多釘雙剪連接關(guān)鍵孔制備試驗(yàn)件；

第二步，通過靜力拉伸試驗(yàn)確定上述試驗(yàn)件破壞載荷；

第三步，根據(jù)試驗(yàn)件破壞載荷計(jì)算拉伸、壓縮和剪切特征尺寸；

第四步，基于拉伸、壓縮和剪切特征尺寸得到三參數(shù)特征曲線；

所述三參數(shù)特征曲線表達(dá)式如下：

r_c(θ)＝r₀+R_t+(R_c-R_t)cosθ+2α|sinθ|cosθ????-90°≤θ≤90°

式中：