基于频域/时域混合方法的复合材料螺栓连接随机振动疲劳寿命的研究

Composite bolted joints under random loadings are subjected to multiaxial random stress states due to different components and material anisotropy. In this project Frequency/ Time domain hybrid method is adopted to establish life prediction model of composite laminate, which could be used to investigate fatigue of composite bolted joint under random loadings. In model, Firstly, FE model of composite bolted joint under power spectrum density (PSD) is established, and random vibration theory is used to analyze structural response. Expression of Tsai-Hill criterion in frequency domain is derived to assess equivalent stress which is used to determine critical point; Secondly, PSD of critical point stress in frequency domain is transferred to stress sample in time domain by using Monte Carlo method. Modified Tsai-Hill criterion and rainflow counting are adopted to calculate fatigue life of composite laminate. Influence of geometric parameters, bolt torque and stacking sequence on composite bolted joint is investigated in experiment and theory calculation. Effect of multiaxial stress on composite bolted joint is studied. At last, fatigue damage visualization plugin is developed based on FE software which could be to explain fatigue failure mechanism of composite. All these work provide technical support for use of fiber reinforced composite in main load-bearing structure.

随机振动载荷作用下的纤维增强复合材料螺栓连接由于不同部件及材料各向异性使得复合材料层板处于多轴随机应力状态。本项目使用频域/时域混合方法建立疲劳寿命预测模型，研究随机振动载荷作用下复合材料螺栓连接疲劳特性。模型中，首先建立随机功率谱密度载荷作用下的复合材料螺栓连接有限元模型，使用随机振动理论分析结构响应，在频域内使用Tsai-Hill准则推导建立等效应力表达式，判定接头危险点；而后使用蒙特卡洛法将频域内危险点的应力功率谱密度转换为时域内的应力时间样本，使用改进的Tsai-Hill准则与雨流计数，计算层板疲劳寿命，并通过理论计算与实验相结合方法，分析几何参数、螺栓扭矩和铺层顺序对于接头疲劳寿命的影响，探索多轴应力对于层板疲劳寿命的影响；最后，基于有限元软件二次开发疲劳损伤可视化插件，揭示复合材料层板疲劳失效机理，为纤维增强复合材料层板向主承力结构的推广奠定基础。

随着科技进步日益加速，特别是航空航天技术的发展，传统纤维增强复合材料工况日益严酷和复杂，为了提高复合材料结构设计可靠性及安全性，复合材料疲劳特性研究是十分必要的。本课题针对复合材料疲劳问题，分别建立了多轴载荷及随机载荷下的复合材料疲劳寿命预测模型。. 复合材料自身的各向异性及不同部件之间的连接，是的复合材料受力状态多为多轴载荷，为了准确预测复合材料多轴应力作用下的疲劳寿命，本课题以复合材料螺栓连接接头为研究目标，使用Tsai-Hill准则，将多轴应力转换为单轴应力，并修改单轴应力作用下的S-N曲线，以适应多轴载荷作用下的复合材料螺栓连接接头疲劳寿命预测。. 为了明确常幅载荷作用下的复合材料螺栓连接接头疲劳特性，基于ABAQUS子程序USDFLD编写复合材料疲劳渐进损伤子程序，基于多轴疲劳寿命预测方法，模拟复合材料螺栓练级的疲劳渐进损伤过程。数值计算结果与实验结果吻合良好。. 随机疲劳是复合材料疲劳寿命预测的另一个重要研究方向。本课混合使用频域时域方法建立复合材料随机疲劳寿命模型，预测复合材料随机疲劳寿命。模型中首先在频域中使用等效Mises应力准则判定结构危险点位置，提取结构危险点应力功率谱密度，将频域内的应力功率谱密度转换为时域内应力函数，利用Tsai-Hill准则将多轴应力转换为单轴应力，重新构造结构危险点位置随机应力时间函数，利用雨流计数法与Miner线性累计准则，预测复合材料层板随机疲劳寿命。数值计算结果与实验结果吻合良好。. 通过实验研究了复合材料螺栓连接在随机功率谱载荷作用下的疲劳特性，研究表明两种不同铺层形式的层板失效模式差异巨大，并且较大的几何参数可以有效提高疲劳寿命，为复合材料螺栓连接接头疲劳设计提供支持。