[发明专利]一种复合材料干涉配合接头应力分布计算方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料结构加工与装配领域，具体涉及一种复合材料构件干涉配合接头孔边应力分布计算方法，用于精确计算和分析复合材料构件干涉装配连接后的孔边残余应力分布。

背景技术

与传统金属材料相比，复合材料结构具有较高的比强度和比刚度以及抗腐蚀性能好等优异性能，其在汽车、航空、航天等结构重量敏感领域的应用越来越广泛，尤其是碳纤维增强复合材料(CFRP)已成为现代飞机结构的重要材料。复合材料主要承力结构一般采用螺栓和铆钉等机械连接形式，但是复合材料接头是其结构中最薄弱的区域，根据相关资料统计，有60％～80％的结构失效发生在接头部位。随着干涉配合连接技术的发展，其在金属结构的装配中得到广泛应用，并显著提高了结构强度和疲劳寿命。美国麦道公司研究证明复合材料干涉连接结构同样可提高其疲劳寿命，但是由于复合材料层间强度低和脆性原因，其干涉配合连接工艺要求较高，在实际中的应用发展较为缓慢。

复合材料结构制孔和干涉配合连接后，接头周围会产生非常不均匀的残余应力，孔边应力集中较为严重，有可能使复合材料结构萌生损伤，影响结构强度和寿命。孔边残余应力主要与复合材料属性、铺层方向以及干涉量有关，合适的干涉量能够显著提高结构疲劳寿命，但是过大的干涉量会使结构产生挤压损伤和分层损伤。

目前已有很多学者对复合材料连接结构孔边应力分布开展了多种研究，其主要集中在以下两个方面：含孔复合材料结构在多种外载荷作用下的孔边应力分布研究(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)；复合材料间隙配合连接结构在拉伸载荷下钉载应力分布研究(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)。对于复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力的研究主要采用有限元模拟和数值计算方法(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)，其计算时间成本非常大，而且计算时间随计算精度的提高成指数级增大。

发明内容

要解决的技术问题

为了使复合材料零部件之间准确可靠连接，以及密封和长寿命需求，飞机承力结构一般采用干涉配合连接，连接孔边残余应力是评价连接质量的关键因素，其直接影响着飞机结构的强度和疲劳寿命。针对纤维增强复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力的研究主要采用有限元模拟和数值计算方法，这种方法存在的主要问题有：1)计算时间成本非常大，而且计算时间随计算精度的提高而成指数级增大；2)精确度浮动性比较大，建模水平、边界条件和载荷工况的真实性直接影响计算准确度；3)未深入研究螺栓-孔表面接触关系，以及非均匀应力产生机理；

针对上述问题，本发明描述了一种复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力分布的计算和分析方法，基于Muskhelishvili和Lekhnitskii的弹性力学复势理论，分别建立钉和孔的应力分布模型，通过分析螺栓-孔变形前后接触关系，确定螺栓-孔接触应力，并将其带入孔边应力分布模型，实现复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力场的精确计算，为结构连接设计和强度分析奠定基础。

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足和缺陷，提供一种复合材料构件干涉配合接头孔边应力场计算和分析方法，用于精确、快速计算复合材料接头干涉配合区域的残余应力分布，为研究干涉连接损伤和结构强度奠定基础，对复合材料结构干涉配合连接优化设计提供指导。该方法计算量少、成本低并且具有较高的计算精度，能够满足实际复合材料装配生产过程中的应用需要。

技术方案