复合材料结构连接

内容提要

本书基于作者30多年来在飞机复合材料结构连接设计、分析和试验方面的研究经历及成果，特别是基于作者主持编写的《复合材料连接手册》和《复合材料结构设计手册》等专著中“连接”章节的有关内容编写而成。全书共分为6章，包括复合材料连接概述、胶接、机械连接、连接有限元分析、开孔和复合材料元件试验等，在内容编排上由浅入深，先阐述胶接和机械连接设计与分析的基础知识，再介绍复合材料层压板胶接和机械连接多种力学性能试验方法，反映出最新的连接设计研究与发展动态。 2100433B

先进复合材料在航空航天中的应用日趋广泛，其连接结构的强度是结构安全性的核心问题之一。《先进复合材料连接结构分析方法》基于国内外先进复合材料连接结构分析基础及作者在该领域的研究成果和经验总结，结合理论和实践系统地阐述了复合材料的基本概念、复合材料结构分析的理论基础和有限元分析技术、先进复合材料机械连接和胶接连接的基本知识和强度预测的典型分析方法，以及典型分析方法的应用实例和试验验证。

《先进复合材料连接结构分析方法》可作为航空、航天专业、力学专业研究生的教科书，也可供飞机结构设计和强度专业的教师和工程技术人员参考。

陶瓷基复合材料的连接方法专利目的

《陶瓷基复合材料的连接方法》为了克服专利背景中相关技术粘结降低连接件的可靠性；不适合大型复杂薄壁件的连接以及陶瓷基复合材料螺栓连接加工成本高；对陶瓷基复合材料的结构强度损伤较大；螺栓改变陶瓷基复合材料构件的表面形状等缺点，该发明提供一种复合材料的连接方法，这种类似金属铆接的陶瓷基复合材料连接方法，将粘结和紧固有机结合，充分发挥各自的优点。

陶瓷基复合材料的连接方法技术方案

《陶瓷基复合材料的连接方法》解决其技术问题所釆用的技术方案是：一种陶瓷基复合材料的连接方法，采用下述方法步骤：

（1）用碳纤维编制三维预制体，用平板石墨模具对碳纤维三维预制体进行定型，经过沉积热解炭界面层和碳化硅基体，完成三维C/SiC复合材料制备，用三维C/SiC复合材料加工铆钉；

（2）将需要连接的构件A与构件B组合配钻加工铆钉孔，铆钉孔为沿构件A与构件B的连接面对称向外的锥孔，锥度为10~20度；

（3）将铆钉用紧配合的方法与构件AB组装在一起；

（4）釆用化学气相渗透的方法在铆钉孔与铆钉之间沉积碳化硅；

（5）对铆接部位进行加工和修整，除掉铆钉的多余部分，使铆钉与构件A与构件B的外表面平齐；

（6）釆用化学气相沉积的方法在构件A与构件B的外表面制备碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。

所述的陶瓷基复合材料铆钉为沿纤维轴向夹角0~45度方向加工而成，铆钉的直径为Φ2~6毫米。

陶瓷基复合材料的连接方法改善效果

截至2004年7月27日，与相关技术相比，《陶瓷基复合材料的连接方法》的有益效果是：由于釆用了粘结和紧固相结合的陶瓷基复合材料连接方法，连接强度和可靠性高，使用温度不受影响；将陶瓷基复合材料的制造过程与连接过程融为一体，不需要增加新的连接设备与连接工艺，同时陶瓷基复合材料铆钉的加工成本远比陶瓷基复合材料螺栓低。因此，该发明工艺简单，连接成本低；用化学气相沉积的方法制备表面涂层，将铆接部位覆盖，使构件表面光滑过渡。因此，该发明对连接件的结构强度影响小且不改变构件表面形状；连接过程全部使用陶瓷基复合材料制造设备，在制造设备许可的范围内铆接的尺寸不受限制。因此，该发明对连接件的尺寸和形状限制小，适用于大型复杂薄壁构件的连接。

第一篇 先进复合材料结构分析基础

第1章复合材料基本概念

1.1复合材料的定义

1.2复合材料的分类

1.3复合材料的性能特点

1.4复合材料结构的力学性能特点

参考文献

第2章单层板弹性力学基础

2.1各向异性体弹性力学基本方程

2.2平面应力与平面应变

2.3单层板的弹性特征

2.4单层板的工程常数

参考文献

第3章层压板弹性力学基础

3.1经典层压板理论

3.2层压板铺层应力分析

3.3典型层压板刚度特征

参考文献

第4章强度理论

4.1本位强度

4.2就地强度

4.3复合材料结构强度特点

4.4强度比

4.5层间强度

4.6典型失效准则

4.7层间失效准则

参考文献

第5章复合材料结构有限元分析技术基础

5.1复合材料结构基本分析方法

5.2基于ABAQUS软件的有限元模型基本单元

5.2.1基本单元

5.2.2单元相关知识

5.3材料本构参数设置

5.3.1二维材料模型本构参数设置方法

5.3.2三维材料模型本构参数设置方法

5.4复杂复合材料结构载荷、强度和失效模式综合显示方法

5.5基于ABAQUS软件的二次开发功能

参考文献

第二篇 先进复合材料机械连接分析方法

第6章复合材料机械连接概论

6.1机械连接形式及典型失效模式

6.2机械连接分析的主要内容

6.3BOJCAS计划简介

参考文献

第7章钉载分配分析方法

7.1概述

7.2钉载分配的刚度法

7.2.1单排钉连接

7.2.2多排单列钉连接

7.2.3规则的多排多列钉连接

7.3钉载分配计算的有限元方法

7.3.1传统的二维有限元模型

7.3.2新二维有限元模型

7.3.3三维有限元模型

参考文献

第8章机械连接应力分析方法

8.1概述

8.2解析法

8.3有限元法

参考文献

第9章机械连接静强度预测方法

9.1概述

9.2强度包线方法

9.2.1复合材料应力集中减缩系数及应力集中减缓因子

9.2.2经典强度包线方法

9.2.3应力集中减缓因子修正方法

9.2.4强度系数修正方法

9.2.5钉载均布修正方法

9.2.6基于旁路载荷影响的修正方法

9.3特征尺寸方法

9.3.1特征尺寸方法研究进展

9.3.2经典特征曲线方法

9.3.3特征曲线方法的修正研究

9.4渐进损伤方法

9.4.1复合材料机械连接中渐进损伤方法研究现状

9.4.2渐进损伤方法四要素

9.4.3渐进损伤方法预测流程

参考文献

第10章典型机械连接分析方法应用实例

10.1典型螺栓连接静强度试验

10.1.1试验件

10.1.2试验过程

10.1.3静强度试验结果

10.2钉载分配计算

10.2.1直接刚度法计算钉载分配

10.2.2有限元法计算钉载分配

10.2.3直接刚度法与有限元法计算结果的比较

10.3螺栓连接的应力分析

10.3.1解析法计算孔边应力分布

10.3.2有限元法计算孔边应力分布

10.3.3孔边应力分布曲线

10.3.4紧固件对孔边应力的影响研究

10.4基于强度包线方法的强度预测

10.4.1经典强度包线方法

10.4.2钉载均布修正方法

10.4.3应力集中减缓因子修正方法

10.4.4基于旁路载荷影响修正方法

10.5基于特征尺寸方法的强度预测

10.5.1经典特征曲线方法

10.5.2基于关键层的特征曲线方法

10.5.3三参数特征曲线方法

10.6基于渐进损伤方法的强度预测

10.6.1复合材料开孔板的渐进损伤分析

10.6.2单钉连接渐进损伤分析

10.6.3多钉连接渐进损伤分析

参考文献

第三篇先进复合材料胶接连接分析方法

第11章复合材料胶接连接概论

11.1胶接连接的特点、基本形式及典型失效模式

11.2胶接连接分析方法研究现状

11.2.1国外相关研究计划

11.2.2平面胶接连接

11.2.3非平面胶接连接

参考文献

第12章胶接连接应力分析方法

12.1理论分析方法

12.1.1复合材料单搭接胶接接头应力分析方法

12.1.2复合材料双搭接胶接接头应力分析方法

12.2有限元分析方法

参考文献

第13章胶接连接静强度预测方法

13.1概述

13.2基于弹塑性力学的传统强度预测方法

13.2.1应力/应变极值方法

13.2.2等效应力方法

13.2.3胶层的失效准则

13.3基于损伤力学的方法

13.3.1传统的损伤力学分析方法

13.3.2损伤区域理论

13.3.3渐进损伤方法

13.4基于断裂力学的方法

13.4.1弹塑性的断裂力学预测方法

13.4.2虚拟裂纹闭合技术

13.5基于损伤断裂力学的方法

13.5.1内聚力模型

13.5.2内聚力模型的分层萌生及分层扩展准则

13.5.3基于双线性本构的内聚力模型基本参数

参考文献

第14章典型胶接连接分析方法应用实例

14.1典型复合材料π胶接接头静强度试验

14.1.1试验件

14.1.2拉伸试验

14.1.3弯曲试验

14.2拉伸载荷下复合材料π胶接接头的渐进损伤模型研究

14.2.1复合材料π胶接接头渐进损伤模型

14.2.2复合材料π胶接接头强度预测

14.2.3修正最大应力准则的验证研究

14.3拉伸载荷下复合材料π胶接接头的失效机理及承载/传载特性

14.3.1失效机理及破坏过程

14.3.2应力分布及传载路径

14.4弯曲载荷下复合材料π胶接接头的失效

14.5典型复合材料π胶接接头结构参数影响

14.6基于内聚力模型的分层扩展模拟

14.6.1典型分层扩展试验

14.6.2内聚力模型的参数模型

14.6.3分层扩展模拟及参数模型验证

参考文献

附录A各向同性材料孔边弹性应力集中系数

A.1各向同性材料受载孔挤压弹性应力集中系数

A.2各向同性材料开孔拉伸弹性应力集中系数

参考文献

附录B紧固件强度校核

B.1螺栓抗拉强度校核

B.2螺栓抗剪强度校核

B.3螺栓挤压强度校核

B.4拉剪同时作用下螺栓强度校核

B.5螺纹强度校核

参考文献