CN103335886B - 一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法：(1)根据复合材料多钉双剪连接关键孔的几何、材料和铺层等参数，设计并制备拉伸、压缩和剪切特征尺寸测试试验件；(2)通过静力拉伸试验获得开孔层压板拉伸破坏载荷、受载孔层压板挤压破坏载荷及受载孔层压板剪切破坏载荷；(3)根据破坏载荷计算拉伸、压缩和剪切特征尺寸；(4)基于拉伸、压缩和剪切特征尺寸得到三参数特征曲线，该曲线通过关键孔的拉伸特征点、挤压特征点和剪切特征点；(5)基于三参数特征曲线预测复合材料多钉双剪连接失效模式及破坏载荷。本发明适用于工程应用中的复合材料多钉双剪连接结构失效预测，考虑了剪切特征尺寸，能准确地预测连接结构的失效模式和破坏载荷。

Description

一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法

技术领域

本发明涉及复合材料多钉双剪连接结构的失效预测，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复合材料多钉双剪连接结构。

背景技术

先进复合材料连接结构是复合材料整体结构中的薄弱环节，其强度直接影响复合材料整体结构的承载能力。复合材料连接主要分为胶接连接和机械连接，机械连接又分为单剪连接和双剪连接，其中双剪连接由于不存在偏心弯矩，能够承受更大载荷，具有更广泛的应用。目前在飞行器的复合材料主承力结构中，机械连接仍是主要的连接方法，因此对其强度和刚度的分析无论对复合材料结构设计还是强度校核都是十分重要的。

特征曲线方法是工程上常用的复合材料机械连接强度分析方法，它认为具有一定材料铺层和几何尺寸的层压板，在一定孔径的孔周围存在一条特别的曲线，当这条曲线上任意一点的破坏系数达到1时，结构发生最终破坏，并且可以根据该点的位置预测其失效模式。

经典特征曲线方法由Chang提出，目前在工程上应用广泛，他采用拉伸特征尺寸与压缩特征尺寸来确定余弦分布形式的特征曲线，其表达式为：

r_c(θ)＝r₀+R_t+(R_c-R_t)cosθ    -90°≤θ≤90°

其中，R_t和R_c分别为拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸，由试验确定。r₀为关键孔半径，θ为从复合材料多钉双剪连接的纵向压缩平面逆时针向拉伸平面方向旋转的角度，如图1所示。而连接结构失效模式则按照θ的位置确定：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；当30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；当75°≤|θ|≤90°时为拉伸失效。

经典特征曲线仅通过拉伸特征点和压缩特征点，并未考虑剪切特征点的影响，存在误判失效模式并给出完全错误的极限载荷预测结果情况。由于复合材料连接的剪切破坏模式和拉伸破坏模式将引起复合材料机械连接结构的突然破坏，导致结构发生灾难性破坏，而挤压破坏模式则扩展较为缓慢而能提供一定的预警，因而在复合材料机械连接结构设计中，在满足结构安全情况下期望的可能破坏方式为连接结构挤压破坏或以挤压破坏为主的失效模式。由此可见，正确预测复合材料机械连接结构的失效模式和失效载荷对于结构的安全至关重要。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法，该方法中的三参数特征曲线在原有经典特征曲线表达式上增加了一个考虑剪切特征尺寸影响的附加项，使得新的三参数特征曲线对复合材料多钉双剪连接结构失效模式和破坏载荷的预测更加准确。

本发明的技术解决方案：一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法，包括以下步骤：

第一步，基于复合材料多钉双剪连接关键孔制备试验件；

第二步，通过静力拉伸试验确定上述试验件破坏载荷；

第三步，根据试验件破坏载荷计算拉伸、压缩和剪切特征尺寸；

第四步，基于拉伸、压缩和剪切特征尺寸得到三参数特征曲线；

所述三参数特征曲线表达式如下：

r_c(θ)＝r₀+R_t+(R_c-R_t)cosθ+2α|sinθ|cosθ    -90°≤θ≤90°

式中：

$\mathrm{\α}=\frac{\sqrt{R_s^2{r_0}^2}[R_s^2+{r_0}^2-(r_0+R_t)\sqrt{R_s^2{r_0}^2}-R_s{R}_c+R_s{R}_t]}{{2r}_0{R}_s}$

其中，R_t，R_c和R_s分别为拉伸特征尺寸，压缩特征尺寸及剪切特征尺寸；r₀为关键孔半径；θ为从复合材料多钉双剪连接的纵向压缩平面逆时针向拉伸平面方向旋转的角度，如图3所示。而连接结构失效模式则按照θ的位置确定：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；当30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；当75°≤|θ|≤90°时为拉伸失效。

第五步，基于三参数特征曲线预测复合材料多钉双剪连接失效模式及破坏载荷。

所述第一步基于复合材料多钉双剪连接关键孔制备试验件实现过程为：

(1)根据复合材料多钉双剪连接结构参数，确定关键孔的几何、材料和铺层参数；

(2)基于上述关键孔几何、材料和铺层参数值，设计并制备拉伸、压缩和剪切特征尺寸测试试验件；

所述第二步通过静力拉伸试验确定上述试验件破坏载荷实现过程为：

(1)通过开孔层压板拉伸强度试验获得开孔层压板拉伸破坏载荷；

(2)通过受载孔层压板挤压强度试验获得受载孔层压板挤压破坏载荷；

(3)通过受载孔层压板剪切强度试验获得受载孔层压板剪切破坏载荷；

所述第三步根据试验件破坏载荷计算拉伸、压缩和剪切特征尺寸实现过程为：

(1)在获得开孔层压板拉伸破坏载荷后，采用应力分析方法计算拉伸破坏载荷下开孔层压板各单层在拉伸失效平面上的各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为拉伸特征尺寸R_t；

(2)在获得受载孔层压板挤压破坏载荷后，采用应力分析方法计算挤压破坏载荷作用下受载孔层压板各单层在挤压失效平面上各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为压缩特征尺寸R_c；

(3)在获得受载孔层压板剪切破坏载荷后，采用应力分析方法计算剪切破坏载荷作用下受载孔层压板各单层在剪切失效平面上各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为剪切特征尺寸R_s。

所述第四步基于拉伸、压缩和剪切特征尺寸得到三参数特征曲线实现过程为：

(1)根据上面计算得到的拉伸特征尺寸R_t、压缩特征尺寸R_c、剪切特征尺寸R_s及关键孔半径r₀，计算剪切影响系数α；

(2)将关键孔半径r₀、拉伸特征尺寸R_t、压缩特征尺寸R_c及剪切影响系数α代入本发明提出的三参数特征曲线表达式，得到关键孔的三参数特征曲线。

所述第五步基于三参数特征曲线预测复合材料多钉双剪连接失效模式及破坏载荷实现过程为：

(1)按照关键孔处的载荷比，以单个钉孔为对象，计算单个钉孔应力分布水平；

(2)当三参数特征曲线上任意一点的破坏系数达到1时，认为关键孔失效，此时施加到单个钉孔上的载荷即为关键孔的破坏载荷，进而根据钉载分配情况得到复合材料多钉双剪连接的破坏载荷。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法中的三参数特征曲线由拉伸特征尺寸、压缩特征尺寸和剪切特征尺寸确定，并且原有的经典特征曲线将成为该三参数特征曲线的特殊形式。

(2)本发明基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法能够准确地预测复合材料多钉双剪连接结构的失效模式和破坏载荷，避免了因为错误预测失效模式而导致的反复徒劳的结构设计改进工作，大大提高了结构设计效率，进一步挖掘了复合材料结构的潜能。

附图说明

图1是现有技术的经典特征曲线；

图2是本发明方法的实现流程图；

图3是本发明提出的三参数特征曲线。

具体实施方式

下面结合流程图进一步详细描述具体实施过程。

如图1所示，在经典特征曲线方法中采用拉伸特征尺寸与压缩特征尺寸来确定余弦分布形式的经典特征曲线，其表达式为：

r_c(θ)＝r₀+R_t+(R_c-R_t)cosθ    -90°≤θ≤90°

其中，R_t和R_c分别为拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸，由试验确定。r₀为关键孔半径，θ为从复合材料多钉双剪连接的纵向压缩平面逆时针向拉伸平面方向旋转的角度。而连接结构失效模式则按照θ的位置确定：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；当30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；当75°≤|θ|≤90°时为拉伸失效。

利用上述经典特征曲线方法预测复合材料多钉双剪连接失效模式及破坏载荷时，仅考虑了拉伸特征尺寸和压缩特征尺寸的影响，存在误判失效模式及破坏载荷的情况。

为了准确地预测复合材料多钉双剪连接的失效模式及破坏载荷，本发明提出了基于拉伸，压缩和剪切特征尺寸的三参数特征曲线方法，其具体实现流程如图2所示：

1、基于复合材料多钉双剪连接关键孔制备试验件；

根据复合材料多钉双剪连接结构参数，确定关键孔的几何、材料和铺层参数；根据关键孔几何、材料和铺层参数值，设计并制备拉伸、压缩和剪切特征尺寸测试试验件。

2、通过静力拉伸试验确定上述试验件破坏载荷；

通过开孔层压板拉伸强度试验获得开孔层压板拉伸破坏载荷；通过受载孔层压板挤压强度试验获得受载孔层压板挤压破坏载荷；通过受载孔层压板剪切强度试验获得受载孔层压板剪切破坏载荷。

3、根据试验件破坏载荷计算拉伸、压缩和剪切特征尺寸；

在获得开孔层压板拉伸破坏载荷后，采用应力分析方法计算拉伸破坏载荷下开孔层压板各单层在拉伸失效平面上的各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为拉伸特征尺寸R_t；在获得受载孔层压板挤压破坏载荷后，采用应力分析方法计算挤压破坏载荷作用下受载孔层压板各单层在挤压失效平面上各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为压缩特征尺寸R_c；在获得受载孔层压板剪切破坏载荷后，采用应力分析方法计算剪切破坏载荷作用下受载孔层压板各单层在剪切失效平面上各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为剪切特征尺寸R_s。

4、基于拉伸、压缩和剪切特征尺寸得到三参数特征曲线；

根据上面计算得到的拉伸特征尺寸R_t、压缩特征尺寸R_c、剪切特征尺寸R_s及关键孔半径r₀，计算剪切影响系数α；将关键孔半径r₀、拉伸特征尺寸R_t、压缩特征尺寸R_c及剪切影响系数α代入本发明提出的三参数特征曲线表达式，得到关键孔的三参数特征曲线。

所述三参数特征曲线表达式如下：

r_c(θ)＝r₀+R_t+(R_c-R_t)cosθ+2α|sinθ|cosθ    -90°≤θ≤90°

式中

$\mathrm{\α}=\frac{\sqrt{R_s^2{r_0}^2}[R_s^2+{r_0}^2-(r_0+R_t)\sqrt{R_s^2{r_0}^2}-R_s{R}_c+R_s{R}_t]}{{2r}_0{R}_s}$

其中，R_t，R_c和R_s分别为拉伸特征尺寸，压缩特征尺寸及剪切特征尺寸；r₀为关键孔半径；θ为从复合材料多钉连接的纵向压缩平面逆时针向拉伸平面方向旋转的角度，如图3所示。而连接结构失效模式则按照θ的位置确定：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；当30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；当75°≤|θ|≤90°时为拉伸失效。

第五步，基于三参数特征曲线预测复合材料多钉双剪连接失效模式及破坏载荷。

按照关键孔处的载荷比，以单个钉孔为对象，计算单个钉孔应力分布水平；当三参数特征曲线上任意一点的破坏系数达到1时，认为关键孔失效，此时施加到单个钉孔上的载荷即为关键孔的破坏载荷，进而根据钉载分配情况得到复合材料多钉双剪连接的破坏载荷。

本发明提出的三参数特征曲线如图3所示，由拉伸特征尺寸R_t、压缩特征尺寸R_c及剪切特征尺寸R_s确定，其表达式如下：

r＝R+R_t+(R_c-R_t)cosθ+2α|sinθ|cosθ    -90°≤θ≤90°

式中：

$\mathrm{\α}=\frac{\sqrt{R_s^2+R^2}[R_s^2{R}^2-(R+R_t)\sqrt{R_s^2+R^2}-R_s{R}_c+R_s{R}_t]}{{2\mathrm{RR}}_s}$

其中，T，B和S点分别为关键孔拉伸特征点，压缩特征点及剪切特征点，由试验确定；R_t，R_c和R_s分别为由拉伸，压缩及剪切特征点确定的拉伸特征尺寸，压缩特征尺寸及剪切特征尺寸；r₀为关键孔半径；α为剪切影响系数；θ为从复合材料多钉双剪连接的纵向压缩平面逆时针向拉伸平面方向旋转的角度。而连接结构失效模式则按照θ的位置确定：当0°≤|θ|≤15°时，为挤压失效；当30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；当75°≤|θ|≤90°时为拉伸失效。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，基于复合材料多钉双剪连接关键孔制备试验件；

第二步，通过静力拉伸试验确定上述试验件拉伸、压缩、剪切破坏载荷；

第三步，根据试验件破坏载荷计算拉伸、压缩和剪切特征尺寸；

第四步，基于拉伸、压缩和剪切特征尺寸得到三参数特征曲线；

所述三参数特征曲线表达式如下：

r_c(θ)＝r₀+R_t+(R_c-R_t)cosθ+2α|sinθ|cosθ-90°≤θ≤90°

式中：

$\mathrm{\α}=\frac{\sqrt{R_s^2+{r_0}^2}[R_s^2+{r_0}^2-(r_0+R_t)\sqrt{R_s^2+{r_0}^2}-R_s{R}_c+R_s{R}_t]}{{2r}_0{R}_s}$

其中，α为剪切影响系数，R_t，R_c和R_s分别为拉伸特征尺寸，压缩特征尺寸及剪切特征尺寸；r₀为关键孔半径；θ为从复合材料多钉双剪连接的纵向压缩平面逆时针向拉伸平面方向旋转的角度；而连接结构失效模式则按照θ的位置确定：当0°≤|θ|≤15°时，为压缩失效；当30°≤|θ|≤60°时，为剪切失效；当75°≤|θ|≤90°时为拉伸失效；

第五步，基于三参数特征曲线预测复合材料多钉双剪连接失效模式及破坏载荷；

所述第三步根据试验件破坏载荷计算拉伸、压缩和剪切特征尺寸实现过程为：

（31）在获得开孔层压板拉伸破坏载荷后，采用应力分析方法计算拉伸破坏载荷下开孔层压板各单层在拉伸失效平面上的各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为拉伸特征尺寸R_t；

（32）在获得受载孔层压板压缩破坏载荷后，采用应力分析方法计算压缩破坏载荷作用下受载孔层压板各单层在压缩失效平面上各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为压缩特征尺寸R_c；

（33）在获得受载孔层压板剪切破坏载荷后，采用应力分析方法计算剪切破坏载荷作用下受载孔层压板各单层在剪切失效平面上各点的应力，代入相应的失效准则，各单层板中满足破坏系数为1的点距孔边的距离即为剪切特征尺寸R_s；

所述第五步基于三参数特征曲线预测复合材料多钉双剪连接失效模式及破坏载荷实现过程为：

（51）按照关键孔处的载荷比，以单个钉孔为对象，计算单个钉孔应力分布水平；

（52）当三参数特征曲线上任意一点的破坏系数达到1时，认为关键孔失效，此时施加到单个钉孔上的载荷即为关键孔的破坏载荷，进而根据钉载分配情况得到复合材料多钉双剪连接的破坏载荷。

2.根据权利要求1所述的一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法，其特征在于：所述第一步基于复合材料多钉双剪连接关键孔制备试验件实现过程为：

（11）根据复合材料多钉双剪连接结构参数，确定关键孔几何参数、材料参数和铺层参数；

（12）基于上述关键孔几何参数、材料参数和铺层参数值，设计并制备拉伸、压缩和剪切特征尺寸测试试验件。

3.根据权利要求1所述的一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法，其特征在于：所述第二步通过静力拉伸试验确定上述试验件破坏载荷实现过程为：

（21）通过开孔层压板拉伸强度试验获得开孔层压板拉伸破坏载荷；

（22）通过受载孔层压板压缩强度试验获得受载孔层压板压缩破坏载荷；

（23）通过受载孔层压板剪切强度试验获得受载孔层压板剪切破坏载荷。

4.根据权利要求1所述的一种基于三参数特征曲线的复合材料多钉双剪连接失效预测方法，其特征在于：所述第四步基于拉伸、压缩和剪切特征尺寸得到三参数特征曲线实现过程为：

（41）根据上面计算得到的拉伸特征尺寸R_t、压缩特征尺寸R_c、剪切特征尺寸R_s及关键孔半径r₀，计算剪切影响系数α；

（42）将关键孔半径r₀、拉伸特征尺寸R_t、压缩特征尺寸R_c及剪切影响系数α代入所述的三参数特征曲线表达式，得到关键孔的三参数特征曲线。

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