[發明專利]一種復合材料干涉配合接頭應力分布計算方法

有效

• 申請號: 201510213342.6
• 申請日: 2015-04-29
• 公開（公告）號: CN104794299B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 程暉;宋丹龍;劉平;張開富
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明屬于復合材料結構加工與裝配領域，具體涉及一種復合材料構件干涉配合接頭孔邊應力分布計算方法，用于精確計算和分析復合材料構件干涉裝配連接后的孔邊殘余應力分布。

背景技術

與傳統金屬材料相比，復合材料結構具有較高的比強度和比剛度以及抗腐蝕性能好等優異性能，其在汽車、航空、航天等結構重量敏感領域的應用越來越廣泛，尤其是碳纖維增強復合材料(CFRP)已成為現代飛機結構的重要材料。復合材料主要承力結構一般采用螺栓和鉚釘等機械連接形式，但是復合材料接頭是其結構中最薄弱的區域，根據相關資料統計，有60％～80％的結構失效發生在接頭部位。隨著干涉配合連接技術的發展，其在金屬結構的裝配中得到廣泛應用，并顯著提高了結構強度和疲勞壽命。美國麥道公司研究證明復合材料干涉連接結構同樣可提高其疲勞壽命，但是由于復合材料層間強度低和脆性原因，其干涉配合連接工藝要求較高，在實際中的應用發展較為緩慢。

復合材料結構制孔和干涉配合連接后，接頭周圍會產生非常不均勻的殘余應力，孔邊應力集中較為嚴重，有可能使復合材料結構萌生損傷，影響結構強度和壽命。孔邊殘余應力主要與復合材料屬性、鋪層方向以及干涉量有關，合適的干涉量能夠顯著提高結構疲勞壽命，但是過大的干涉量會使結構產生擠壓損傷和分層損傷。

目前已有很多學者對復合材料連接結構孔邊應力分布開展了多種研究，其主要集中在以下兩個方面：含孔復合材料結構在多種外載荷作用下的孔邊應力分布研究(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)；復合材料間隙配合連接結構在拉伸載荷下釘載應力分布研究(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)。對于復合材料結構干涉配合接頭孔邊殘余應力的研究主要采用有限元模擬和數值計算方法(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)，其計算時間成本非常大，而且計算時間隨計算精度的提高成指數級增大。

發明內容

要解決的技術問題

為了使復合材料零部件之間準確可靠連接，以及密封和長壽命需求，飛機承力結構一般采用干涉配合連接，連接孔邊殘余應力是評價連接質量的關鍵因素，其直接影響著飛機結構的強度和疲勞壽命。針對纖維增強復合材料結構干涉配合接頭孔邊殘余應力的研究主要采用有限元模擬和數值計算方法，這種方法存在的主要問題有：1)計算時間成本非常大，而且計算時間隨計算精度的提高而成指數級增大；2)精確度浮動性比較大，建模水平、邊界條件和載荷工況的真實性直接影響計算準確度；3)未深入研究螺栓-孔表面接觸關系，以及非均勻應力產生機理；

針對上述問題，本發明描述了一種復合材料結構干涉配合接頭孔邊殘余應力分布的計算和分析方法，基于Muskhelishvili和Lekhnitskii的彈性力學復勢理論，分別建立釘和孔的應力分布模型，通過分析螺栓-孔變形前后接觸關系，確定螺栓-孔接觸應力，并將其帶入孔邊應力分布模型，實現復合材料結構干涉配合接頭孔邊殘余應力場的精確計算，為結構連接設計和強度分析奠定基礎。

本發明的目的在于解決現有技術存在的上述不足和缺陷，提供一種復合材料構件干涉配合接頭孔邊應力場計算和分析方法，用于精確、快速計算復合材料接頭干涉配合區域的殘余應力分布，為研究干涉連接損傷和結構強度奠定基礎，對復合材料結構干涉配合連接優化設計提供指導。該方法計算量少、成本低并且具有較高的計算精度，能夠滿足實際復合材料裝配生產過程中的應用需要。

技術方案