[发明专利]拉伸载荷作用下复合材料干涉连接应力分析方法

说明书

本发明提出一种拉伸载荷作用下复合材料干涉连接应力分析方法，该方法基于Lekhnitskii复势函数理论，在建立接头孔边变形与应力函数关系的基础上，通过孔边变形的求解和应力函数运算，得到孔边各处的应力分量。该方法可以在已知材料属性、外载荷大小和干涉量的条件下求解接头孔边的应力状态，使用方便、计算准确，可以为结构强度的分析和工艺参数的分析提供有利的理论支持；弥补现有方法在计算时间和使用方便性上的缺陷，为结构的强度分析和损伤预测提供依据，为复合材料结构干涉配合连接的设计提供参考。

技术领域

本发明涉及复合材料连接应力分析技术领域，具体为一种拉伸载荷作用下复合材料干涉连接应力分析方法。

背景技术

复合材料因其比强度高、比刚度高、可设计性强等优点，在航空、航天和汽车等工业领域得到了越来越多的应用。复合材料在工程中的使用不可避免的导致连接结构的存在。对于承载较大的结构而言，机械连接是最常用的连接形式。但由于机械连接需要预制连接孔，造成材料不连续和应力集中，机械连接接头往往是结构中的最薄弱的区域，相关统计结果表明60％～80％的结构失效发生在接头部位。为提高复合材料机械连接接头的强度和疲劳寿命，美国麦道公司将已在金属结构中得到应用的干涉配合技术使用在复合材料结构上，试验研究表明干涉配合对复合材料接头同样有效。但由于工艺要求较高且相关工艺参数的选取较为复杂，目前该技术的应用尚处于发展状态。

拉伸载荷是连接结构承受的最主要外载形式之一。对于干涉配合的复合材料接头而言，由于存在干涉残余应力并受到复合材料各向异性的影响，其连接孔周围的应力分布沿角度变化剧烈，应力集中严重，极易成为损伤的源头，引起结构的破坏。应力水平的计算是分析结构强度和寿命的基础，对工艺参数的选择具有重要作用。快速、准确地分析干涉连接在外力作用下的应力状态，可以方便干涉量等工艺参数的选择，对于干涉配合技术的应用具有十分重要的意义。

目前已有学者围绕复合材料连接接头的应力状态进行了研究，主要分为两类：间隙配合接头在拉伸载荷作用下应力状态研究(Aluko O and Whitworth HA.“Analysis ofstress distribution around pin loaded holes in orthotropic plates”.CompositeStructures.2008；86:308-13)；干涉连接接头周围干涉残余应力的研究(Kim S,He B,ShimC,and Kim D,“An experimental and numerical study on the interference-fit pininstallation process for cross-ply glass fiber reinforced plastics(GFRP)”,Composites:Part B.2013 54:153-162)。孔周应力状态的分析目前主要采用有限元数值模拟的方式(张俊琪，刘龙权，陈昆昆，汪海.“干涉配合对复合材料机械连接结构承载能力的影响”.上海交通大学学报,2013,47(11):1795-1806)。有限元数值模拟按照研究对象的几何尺寸、材料属性和受力状态建立模型进行分析，尽管具有较高的精度但需要较长的计算时间。而且由于模型与研究对象存在直接的对应关系，当研究对象的尺寸、材料、受力状态发生变化时，需要重复建模和分析过程，因而对于大量不同工艺参数及材料属性的对象，其所耗费的计算成本成倍增加。

由于承载能力强、便于拆卸等优点，飞机结构中大量使用机械连接接头。为了满足寿命、强度、密封性等要求，干涉配合在复合材料机械连接接头中得到应用。对于飞机结构件而言，外载作用下的应力状态是分析结构质量、安全性的关键因素，直接影响飞机产品的安全可靠。目前，针对拉伸载荷作用下复合材料干涉配合接头的孔边应力状态主要采用有限元数值模拟的方式，这种方法存在以下问题：1)计算时间代价很高。为保证精度，有限元模型需要划分一定规模的网格单元，因而其计算过程较长。此外，提高计算精度需要成倍增加计算规模，导致计算时间的进一步增加；2)模型具有一定的特异性。有限元模型针对特定材料、特定尺寸的结构建立，当分析对象变化时，需要重复建模及计算过程，而该过程耗时很长，使得其不适于大量对象的分析。