[发明专利]叠层板材集群孔试验系统

说明书

一种叠层板材集群孔试验系统，通过建立渐进损伤模型，采用改进的三维Hashin失效判据，从微观角度探究复合材料层合板孔周围纤维、基体渐进损伤扩展与失效模式，通过仿真分析孔的数量和空间布局对连接结构静强度的影响规律，从结构角度实现了集群孔复合材料/钛合金叠层板连接结构强度的优化设计。本发明从结构设计角度实现了复合材料/钛合金叠层板连接结构集群孔强度的优化设计。

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料结构领域的技术，具体是一种提高碳纤维复合材料与钛合金连接结构的承载性能的叠层板材集群孔试验系统。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有比重小、强度高、刚性好等诸多优良的物理力学特性，在大型客机和航天器的设计制造中得到广泛的关注与应用。碳纤维复合材料主要应用在飞机的机翼、尾翼、机身，以及越来越多的主承力结构件上，因此强化碳纤维复合材料的连接性能极为重要。目前，碳纤维复合材料叠层板材的连接方法主要有5种，分别为机械连接、胶接、缝合连接、Z-pin连接和机械连接/胶接混杂连接。由于碳纤维复合材料剪切、抗拉强度低、塑形差，钻孔后孔的周围出现应力集中导致连接结构易损坏。

现有复合材料连接结构领域尚未明确一个统一的评价体系，存在复合材料连接结构装配效率低，适航评定效果差等问题，影响了复合材料广泛应用的可行性。在复合材料板材集群孔设计领域，如何在有限的板材尺寸范围内，通过合理设计复合材料板材的铺层方式、叠层板材的连接方式、集群孔的空间分布以及大小，以提高复合材料板材的强度和复合材料叠层板材连接结构的承载性能，形成完善的集群孔评价体系，是一件国内空白，且亟待研究的工作。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种叠层板材集群孔试验系统，通过建立渐进损伤模型，采用Hashin失效判据，从微观角度探究复合材料层合板孔周围纤维、基体渐进损伤扩展与失效模式，通过仿真分析孔的数量和空间布局对连接结构静强度的影响规律，从结构设计角度实现了复合材料/钛合金叠层板连接结构集群孔强度的优化设计。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种叠层板材集群孔连接结构的强度优化方法，包括以下步骤：

步骤一：使用有限元仿真软件，设计复合材料的本构模型、材料失效判据并建立三维复合材料/钛合金叠层板模型。

所述的有限元仿真采用的但不限于ABAQUS或ANSYS，在软件内嵌的复合材料模块中构建复合材料实体模型，并与钛合金板材通过紧固件连接装配在一起，以此建立三维复合材料/钛合金叠层板模型。

所述的本构模型，针对复合材料各向异性的特征，在材料属性中构建复合材料的非线性本构关系。

所述的材料失效判据，通过在有限元仿真中设置三维Hashin准则作为复合材料失效判据。

步骤二：在单孔叠层板的基础上，更换不同的复合材料/钛合金的连接方式，即采用不同的紧固件类型获得不同的紧固件类型对叠层板结构的影响评价。

所述的紧固件类型包括螺栓连接和铆接，当采用螺栓连接方式时，干涉量范围设置为0-4.5％以获得最佳配合量以实现连接结构的最大强度。

所述的紧固件材料采用航空飞机广泛应用的钛合金材料。

步骤三：在单孔叠层板的基础上，采用单铺层与多铺层碳纤维复合材料两种不同的铺层方式获得复合材料不同的铺层角度对叠层板结构的影响评价。

所述的单铺层是指：复合材料的铺层为单一方向，优选为0°/45°/-45°/90°。

所述的多铺层是指：复合材料的铺层是多个方向，优选为[90°，0°，±45°]、[90°，0°，±45°]等。

步骤四：在原有的叠层板单孔连接基础上，改变连接孔的数量获得连接孔数量及构成图形对连接结构承载性能的影响评价。