[發(fā)明專利]一種復(fù)合材料干涉配合接頭應(yīng)力分布計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510213342.6
• 申請(qǐng)日: 2015-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN104794299B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程暉;宋丹龍;劉平;張開富
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加工與裝配領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合材料構(gòu)件干涉配合接頭孔邊應(yīng)力分布計(jì)算方法，用于精確計(jì)算和分析復(fù)合材料構(gòu)件干涉裝配連接后的孔邊殘余應(yīng)力分布。

背景技術(shù)

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度和比剛度以及抗腐蝕性能好等優(yōu)異性能，其在汽車、航空、航天等結(jié)構(gòu)重量敏感領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)已成為現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要材料。復(fù)合材料主要承力結(jié)構(gòu)一般采用螺栓和鉚釘?shù)葯C(jī)械連接形式，但是復(fù)合材料接頭是其結(jié)構(gòu)中最薄弱的區(qū)域，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，有60％～80％的結(jié)構(gòu)失效發(fā)生在接頭部位。隨著干涉配合連接技術(shù)的發(fā)展，其在金屬結(jié)構(gòu)的裝配中得到廣泛應(yīng)用，并顯著提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命。美國(guó)麥道公司研究證明復(fù)合材料干涉連接結(jié)構(gòu)同樣可提高其疲勞壽命，但是由于復(fù)合材料層間強(qiáng)度低和脆性原因，其干涉配合連接工藝要求較高，在實(shí)際中的應(yīng)用發(fā)展較為緩慢。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔和干涉配合連接后，接頭周圍會(huì)產(chǎn)生非常不均勻的殘余應(yīng)力，孔邊應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，有可能使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)萌生損傷，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命。孔邊殘余應(yīng)力主要與復(fù)合材料屬性、鋪層方向以及干涉量有關(guān)，合適的干涉量能夠顯著提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命，但是過大的干涉量會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓損傷和分層損傷。

目前已有很多學(xué)者對(duì)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)孔邊應(yīng)力分布開展了多種研究，其主要集中在以下兩個(gè)方面：含孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在多種外載荷作用下的孔邊應(yīng)力分布研究(Ukadgaonker VG and Rao DKN,“A general solution for stresses around holes in symmetric laminates under inplane loading”.Composite Structures,vol.49,No.3,2000,pp.339-354)；復(fù)合材料間隙配合連接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下釘載應(yīng)力分布研究(Grüber B,Hufenbach W,Kroll L,Lepper M and Zhou B,“Stress concentration analysis of fibre-reinforced multilayered composites with pin-loaded holes”,Composites Science and Technology,vol.67,No.7-8,2007,pp.1439-1450)。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力的研究主要采用有限元模擬和數(shù)值計(jì)算方法(Kim S,He B,Shim C,and Kim D,“An experimental and numerical study on the interference-fit pin installation process for cross-ply glass fiber reinforced plastics(GFRP)”,Composites:Part B,vol.54,pp.153-162)，其計(jì)算時(shí)間成本非常大，而且計(jì)算時(shí)間隨計(jì)算精度的提高成指數(shù)級(jí)增大。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了使復(fù)合材料零部件之間準(zhǔn)確可靠連接，以及密封和長(zhǎng)壽命需求，飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)一般采用干涉配合連接，連接孔邊殘余應(yīng)力是評(píng)價(jià)連接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其直接影響著飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命。針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力的研究主要采用有限元模擬和數(shù)值計(jì)算方法，這種方法存在的主要問題有：1)計(jì)算時(shí)間成本非常大，而且計(jì)算時(shí)間隨計(jì)算精度的提高而成指數(shù)級(jí)增大；2)精確度浮動(dòng)性比較大，建模水平、邊界條件和載荷工況的真實(shí)性直接影響計(jì)算準(zhǔn)確度；3)未深入研究螺栓-孔表面接觸關(guān)系，以及非均勻應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理；

針對(duì)上述問題，本發(fā)明描述了一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力分布的計(jì)算和分析方法，基于Muskhelishvili和Lekhnitskii的彈性力學(xué)復(fù)勢(shì)理論，分別建立釘和孔的應(yīng)力分布模型，通過分析螺栓-孔變形前后接觸關(guān)系，確定螺栓-孔接觸應(yīng)力，并將其帶入孔邊應(yīng)力分布模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力場(chǎng)的精確計(jì)算，為結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析奠定基礎(chǔ)。

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足和缺陷，提供一種復(fù)合材料構(gòu)件干涉配合接頭孔邊應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算和分析方法，用于精確、快速計(jì)算復(fù)合材料接頭干涉配合區(qū)域的殘余應(yīng)力分布，為研究干涉連接損傷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度奠定基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合連接優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。該方法計(jì)算量少、成本低并且具有較高的計(jì)算精度，能夠滿足實(shí)際復(fù)合材料裝配生產(chǎn)過程中的應(yīng)用需要。

技術(shù)方案