一種復(fù)合材料干涉配合接頭應(yīng)力分布計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加工與裝配領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合材料構(gòu)件干涉配合 接頭孔邊應(yīng)力分布計(jì)算方法，用于精確計(jì)算和分析復(fù)合材料構(gòu)件干涉裝配連接后的孔邊殘 余應(yīng)力分布。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度和比剛度以及抗腐蝕性能 好等優(yōu)異性能，其在汽車(chē)、航空、航天等結(jié)構(gòu)重量敏感領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是碳纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP)已成為現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要材料。復(fù)合材料主要承力結(jié)構(gòu)一般采 用螺栓和鉚釘?shù)葯C(jī)械連接形式，但是復(fù)合材料接頭是其結(jié)構(gòu)中最薄弱的區(qū)域，根據(jù)相關(guān)資 料統(tǒng)計(jì)，有60 %~80%的結(jié)構(gòu)失效發(fā)生在接頭部位。隨著干涉配合連接技術(shù)的發(fā)展，其在 金屬結(jié)構(gòu)的裝配中得到廣泛應(yīng)用，并顯著提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命。美國(guó)麥道公司研宄 證明復(fù)合材料干涉連接結(jié)構(gòu)同樣可提高其疲勞壽命，但是由于復(fù)合材料層間強(qiáng)度低和脆性 原因，其干涉配合連接工藝要求較高，在實(shí)際中的應(yīng)用發(fā)展較為緩慢。
[0003] 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔和干涉配合連接后，接頭周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生非常不均勻的殘余應(yīng)力， 孔邊應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，有可能使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)萌生損傷，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命?？走厷堄?應(yīng)力主要與復(fù)合材料屬性、鋪層方向以及干涉量有關(guān)，合適的干涉量能夠顯著提高結(jié)構(gòu)疲 勞壽命，但是過(guò)大的干涉量會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓損傷和分層損傷。
[0004] 目前已有很多學(xué)者對(duì)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)孔邊應(yīng)力分布開(kāi)展了多種研宄， 其主要集中在以下兩個(gè)方面：含孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在多種外載荷作用下的孔邊應(yīng)力 分布研宄（UkadgaonkerVGandRaoDKN,"Ageneralsolutionforstresses aroundholesinsymmetriclaminatesunderinplaneloading" ?Composite Structures,vol. 49,No. 3, 2000,pp. 339-354);復(fù)合材料間隙配合連接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷 下釘載應(yīng)力分布研宄（GrilberB,HufenbachW,KrollL,LepperMandZhouB,"Stress concentrationanalysisoffibre-reinforcedmultilayeredcompositeswith pin-loadedholes"，CompositesScienceandTechnology,vol. 67,No. 7-8, 2007,pp. 14 39-1450)。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力的研宄主要采用有限元模擬和數(shù) 值計(jì)算方法（KimS,HeB,ShimC,andKimD,"Anexperimentalandnumericalstudy ontheinterference-fitpininstallationprocessforcross-plyglassfiber reinforcedplastics(GFRP) "，Composites:PartB,vol. 54,pp. 153-162)，其計(jì)算時(shí)間成 本非常大，而且計(jì)算時(shí)間隨計(jì)算精度的提高成指數(shù)級(jí)增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006] 為了使復(fù)合材料零部件之間準(zhǔn)確可靠連接，以及密封和長(zhǎng)壽命需求，飛機(jī)承力結(jié) 構(gòu)一般采用干涉配合連接，連接孔邊殘余應(yīng)力是評(píng)價(jià)連接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其直接影響著 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命。針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力的研 宄主要采用有限元模擬和數(shù)值計(jì)算方法，這種方法存在的主要問(wèn)題有：1)計(jì)算時(shí)間成本非 常大，而且計(jì)算時(shí)間隨計(jì)算精度的提高而成指數(shù)級(jí)增大；2)精確度浮動(dòng)性比較大，建模水 平、邊界條件和載荷工況的真實(shí)性直接影響計(jì)算準(zhǔn)確度；3)未深入研宄螺栓-孔表面接觸 關(guān)系，以及非均勻應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理；
[0007] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明描述了一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力分布 的計(jì)算和分析方法，基于Muskhelishvili和Lekhnitskii的彈性力學(xué)復(fù)勢(shì)理論，分別建立 釘和孔的應(yīng)力分布模型，通過(guò)分析螺栓-孔變形前后接觸關(guān)系，確定螺栓-孔接觸應(yīng)力，并 將其帶入孔邊應(yīng)力分布模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力場(chǎng)的精確計(jì) 算，為結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析奠定基礎(chǔ)。
[0008] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足和缺陷，提供一種復(fù)合材料構(gòu)件 干涉配合接頭孔邊應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算和分析方法，用于精確、快速計(jì)算復(fù)合材料接頭干涉配合區(qū) 域的殘余應(yīng)力分布，為研宄干涉連接損傷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度奠定基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合 連接優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。該方法計(jì)算量少、成本低并且具有較高的計(jì)算精度，能夠滿(mǎn)足實(shí)際 復(fù)合材料裝配生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用需要。
[0009] 技術(shù)方案
[0010] 本發(fā)明方法涉及到的主要部件為螺栓（1)、復(fù)合材料板（2、3)，其中螺栓初始半徑 為IV復(fù)合材料板螺栓孔初始半徑為Rtl、復(fù)合材料板厚為t、復(fù)合材料寬度為W、復(fù)合材料板 螺栓孔與端頭最短距離為E。在進(jìn)行干涉配合連接時(shí)，將螺栓通過(guò)冷擠壓方式安裝到復(fù)合材 料螺栓孔中。
[0011] 一種復(fù)合材料干涉配合接頭應(yīng)力分布計(jì)算方法，其特征在于步驟如下：
[0012] 步驟1 :將復(fù)合材料構(gòu)件通過(guò)螺栓進(jìn)行干涉配合連接，所述的螺栓在干涉配合變 形前的橫截面Sp為圓形，初始半徑為rC1;建立螺栓在邊界法向接觸應(yīng)力P和切向接觸應(yīng)力 T作用下的復(fù)應(yīng)力函數(shù)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合材料干設(shè)配合接頭應(yīng)力分布計(jì)算方法，其特征在于步驟如下： 步驟1;將復(fù)合材料構(gòu)件通過(guò)螺栓進(jìn)行干設(shè)配合連接，所述的螺栓在干設(shè)配合變形前 的橫截面Sp為圓形，初始半徑為r。;建立螺栓在邊界法向接觸應(yīng)力P和切向接觸應(yīng)力T作 用下的復(fù)應(yīng)力函數(shù)：
其中；Z=x+iy為螺栓橫截面Sp內(nèi)任一點(diǎn)； 螺栓邊界在法向接觸應(yīng)力P和切向接觸應(yīng)力T作用下，變形位移分量Uxp、Uyp的復(fù)函數(shù) 形式滿(mǎn)足W下邊界條件：
求解上述邊界條件方程可得笛卡爾坐標(biāo)系下X、y方向螺栓邊界變形位移分量為：
其中：
E和V分別為螺 栓材料的楊氏模量和泊松比； 步驟2 ;建立復(fù)合材料構(gòu)件孔壁在邊界法向接觸應(yīng)力P和反向切向接觸應(yīng)力-T作用下 的復(fù)應(yīng)力函數(shù)：
其中；R。為復(fù)合材料螺栓孔的初始半徑，S1，S,為復(fù)合材料的第一類(lèi)復(fù)參數(shù)，且S1聲S2;Zi=X+Sly和Z2=X+S2y為螺栓孔外部區(qū)域Sh內(nèi)任意兩點(diǎn)，Sh與s'h滿(mǎn)足保角映射關(guān)系 如下式所示：
笛卡爾坐標(biāo)系下的螺栓孔邊應(yīng)力分量Oy、Oy、Tq表示為；
笛卡爾坐標(biāo)系下的螺栓孔邊變形位移分量U&、Uyh表示為：
其中
，(m,n= 1, 2, 6)是對(duì)稱(chēng)復(fù)合材 料的柔度矩陣系數(shù)； 步驟3 ;螺栓和復(fù)合材料螺栓孔變形之后，螺栓邊界與孔邊界相互接觸，螺栓和螺栓孔 邊變形位移在X、y方向的分量Uyp,Uyp,Uyh,Uyh滿(mǎn)足W下關(guān)系：
其中0為邊界任一點(diǎn)到圓屯、的連線與X軸正方向的夾角，0°《0 < 360° ; 求解Uxp，Uyp，Uxh，Uyh關(guān)系式得到法向接觸應(yīng)力P和切向接觸應(yīng)力T的表達(dá)式，然后將法 向接觸應(yīng)力P和切向接觸應(yīng)力T代入螺栓孔邊應(yīng)力分量表達(dá)式中求解出復(fù)合材料構(gòu)件螺栓 孔邊殘余應(yīng)力分布0X、0y、Txy; 將笛卡爾坐標(biāo)系中的Oy、Oy、變換到圓柱坐標(biāo)系下，得到復(fù)合材料螺栓孔邊的徑 向應(yīng)力0r、周向應(yīng)力00和切向應(yīng)力Tre為；
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【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料構(gòu)件干涉配合接頭孔邊應(yīng)力分布計(jì)算方法，基于Muskhelishvili和Lekhnitskii的彈性力學(xué)復(fù)勢(shì)理論，分別建立釘和孔的應(yīng)力分布模型，通過(guò)分析螺栓-孔變形前后接觸關(guān)系，確定螺栓-孔接觸應(yīng)力，并將其帶入孔邊應(yīng)力分布模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉配合接頭孔邊殘余應(yīng)力場(chǎng)的精確計(jì)算，為結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析奠定基礎(chǔ)。
【IPC分類(lèi)】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104794299
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510213342
【發(fā)明人】程暉, 宋丹龍, 劉平, 張開(kāi)富
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月29日