[发明专利]一种CFRP-金属混合螺栓连接结构疲劳寿命预测方法

说明书

本发明建立了一种竞争失效下的CFRP‑金属混合螺栓连接结构疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：(1)采用改进的渐进疲劳损伤模型预测CFRP板疲劳寿命：建立连接结构的三维有限元模型进行应力分析，计算在疲劳载荷下逐渐退化的复合材料力学性能，并应用扩展的最大应变准则检查含损伤的复合材料失效状态，对失效的材料进行刚度退化，最后根据结构失效时的剩余强度，获得CFRP板的疲劳寿命；(2)采用名义应力法预测金属板疲劳寿命的理论值；(3)将预测的CFRP层合板疲劳寿命值与金属板疲劳寿命值对比，预测竞争失效下的混合连接结构疲劳寿命及失效模式。本发明适用于工程应用，可以有效预测CFRP‑金属混合螺栓连接结构的疲劳寿命，为工程实践提供参考。

技术领域

本发明涉及CFRP-金属混合螺栓连接结构承受疲劳载荷时疲劳寿命的预测问题，具体涉及一种竞争失效下的CFRP-金属混合螺栓连接结构疲劳寿命预测方法，适用于航空航天飞行器中广泛使用的各种CFRP-金属混合螺栓连接结构。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)凭借其高比强度，高比刚度等良好的力学性能，已广泛应用于具有高承载能力，高效率和高可靠性要求的飞机主承力结构中。尽管先进复合材料大量应用于飞机结构，受制于其制造工艺与成本，传统的金属材料仍大量应用于飞机部件中。以空客A350飞机为例，其中铝合金、钛、钢的总用量达41％。可见，先进复合材料与金属材料将长期共存于飞机主承力结构中。那么，两者之间的混合连接结构则必不可少。混合螺栓连接由于其简易性、高载荷传递能力和可靠性、经济性，是一种主要的连接形式。螺栓连接接头通常是飞机结构中的薄弱部位，因此接头的设计和分析对提高飞行器结构的承载能力有着极为重要的作用。

飞机的混合螺栓连接部件在服役过程中要承受复杂的疲劳载荷。在疲劳循环载荷下，金属板和CFRP板均会产生损伤，其中金属材料在疲劳循环载荷下的破坏通常由单个裂纹的萌生和扩展导致，破坏过程包括裂纹形成、扩展、失稳断裂，其疲劳破坏主要取决于以拉伸应力为主的应力循环的均值、幅值和循环次数；而CFRP材料具有显著的各向异性特性，其疲劳破坏是由不同单层中的多种裂纹共同决定的，不存在单一的主裂纹，疲劳过程中层内、层间裂纹相互合并引起损伤扩展，进而导致材料性能显著下降。可见，由于两种材料板的损伤状态及损伤扩展机理不同，最终哪个板会导致连接结构的灾难性破坏与结构参数、疲劳载荷水平等因素相关。即当CFRP与金属材料组成螺栓连接结构时，连接结构中的搭接板之间存在竞争疲劳失效。因此在CFRP-金属混合螺栓连接结构设计与分析时，需考虑这种竞争疲劳失效现象，通过数值模型准确评估混合连接结构的疲劳性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，针对CFRP-金属混合螺栓连接结构，基于渐进疲劳损伤模型预测连接结构中CFRP板疲劳失效，采用名义应力法预测金属板疲劳失效，代替了传统的“静力覆盖疲劳”思想，用以预测竞争失效下的混合螺栓连接结构疲劳寿命，并最终提出一种竞争失效下的CFRP-金属混合螺栓连接结构疲劳寿命预测方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种竞争失效下的CFRP-金属混合螺栓连接结构疲劳寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤A：采用渐进疲劳损伤模型预测CFRP板疲劳寿命；

步骤B：采用名义应力法预测金属板疲劳寿命；

步骤C：将预测的CFRP层合板疲劳寿命值与金属板疲劳寿命值对比，预测竞争失效下的混合螺栓连接结构疲劳寿命及失效模式。

所述步骤A中采用渐进疲劳损伤模型预测CFRP板疲劳寿命的过程为：

步骤A1，根据预估的复合材料结构疲劳寿命设置最大循环数n_max和循环数增量Δn，并根据CFRP-金属混合螺栓连接结构几何参数，建立连接结构详细的三维有限元模型；

步骤A2，基于连接结构的三维有限元模型在最大疲劳载荷水平下进行结构应力分析，获得结构的应力分布；