碳纤维复合材料及其叠层连接结构孔挤压强化技术研究

摘要

轻量化和耐久性已成为现代飞机结构所追求的重要设计目标，为此，具有优良力学性能的碳纤维增强树脂基复合材料在飞机结构中得到广泛应用，在保证承载性能的同时，有效降低机体重量。在飞机结构中，机械连接仍然是复合材料及其叠层结构件的主要连接形式，然而，连接孔的存在造成了结构件的应力集中，零件的孔边疲劳破坏是飞机结构的主要失效形式。针对飞机连接结构件的低疲劳寿命问题，本文开展碳纤维增强复合材料及其叠层结构孔挤压强化技术研究，完成的主要研究工作包括：
　　（1）针对带中心孔和端孔两种典型飞机结构件孔边应力集中问题，介绍了应力集中系数的计算方法，确立了复合材料无缝衬套和钛合金开缝衬套孔挤压强化工艺方法及其系统硬件的技术要求和评定指标，构建了孔挤压三维有限元仿真模型，探明了孔挤压对两种典型结构件孔的应力集中影响机制，提出了孔挤压工艺对提高复合材料及其叠层连接结构疲劳寿命具有突出的潜力。
　　（2）搭建了复合材料无缝衬套孔挤压试验装置，研制了适用于碳纤维复合材料孔挤压强化的钛合金无缝衬套，探明了挤压量对衬套挤压变形和复材孔边应力分布的影响规律，优化了衬套几何尺寸和挤压量。开展了复材孔挤压工艺试验，对复合材料钛合金衬套孔挤压质量进行了评价。通过孔挤压强化和疲劳试验，探明了孔挤压工艺对复材板疲劳增益效果。
　　（3）开展了TC4钛合金开缝衬套孔挤压试验，分析了挤后孔壁表面完整性，得出了挤后孔边残余应力分布规律和受载构件孔边应力分布规律，完成了不同挤压量下的TC4钛合金疲劳试验，揭示了挤压量对钛合金开孔构件疲劳寿命的影响规律。
　　（4）开展了复材-复材和复材-钛合金两种典型叠层结构件的拉伸和疲劳性能试验，得出了孔挤压对叠层结构连接孔受载变形规律和孔边应力分布规律的影响机制，研究了孔挤压对复合材料叠层结构的承载性能和破坏形式的影响，建立了挤压量同疲劳增益之间的内在关系，验证了孔挤压工艺对叠层结构的疲劳增益效果。

目录

声明

注释表

第一章 绪 论

1.1 复合材料及其叠层结构在飞机上的应用

1.2 复合材料及其叠层机械连接与孔强化技术研究现状

1.3 复合材料及其叠层连接结构孔挤压强化技术研究构想

1.4 本课题拟开展的主要研究内容

第二章 孔挤压对带孔构件应力集中的影响研究

2.1 孔边应力集中

2.2 孔挤压工艺设计

2.3 孔挤压对带中心圆孔板件应力集中的影响

2.4 孔挤压对装配结构端孔构件应力集中的影响

2.5 本章小结

第三章 复合材料板孔挤压强化研究

3.1 复合材料孔挤压工艺装置及衬套研制

3.2 孔边应力分布

3.3 复合材料孔挤压工艺试验

3.4 孔挤压质量

3.5 孔挤压对复合材料孔板疲劳性能的影响

3.6 本章小结

第四章 钛合金板孔挤压强化研究

4.1 钛合金孔挤压工艺试验

4.2 钛合金板孔挤压疲劳增益

4.3 疲劳断口分析

4.4 本章小结

第五章 复合材料叠层连接结构疲劳性能研究

5.1 试件制备与试验条件

5.2 拉伸试验结果

5.3 孔挤压对复材-复材连接构件疲劳性能的影响

5.4 孔挤压对复材-钛合金连接构件疲劳性能的影响

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文取得的主要成果

6.2 本文的主要创新点

6.3 开展后续研究工作的设想

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文