先进复合材料连接渐进失效机理及大型飞机典型连接结构强度预测理论研究

The amount of composites application in aircraft structures is an important sign for structure advancement of large aircraft, while advanced composite joints are bottleneck problems for wide application of composites in aircraft structures. During experimental investigation on composite adhesive bonded joints and bolted joints, the proposer found that the failure process of composite joints have the characteristics of multi-damage modes, progressive damage process and multi-scale damage, and that the ultimate failure of composite joints results from coupling propagation of the multi-damage modes. With advanced numerical and experimental methods, the progressive failure mechanisms of composite joints could be further investigated. In addition, the mechanics model and failure theories for the progressive failure analysis of composite joints could be established. And strength prediction methods could be updated in engineering practices of large aircraft. Thus, the project is proposed to research the above problems. In this project, the progressive failure mechanisms of composite joints due to coupling propagation of multi-damage modes will be disclosed. Based on the progressive failure mechanism, characterization parameters and control parameters to describe the progressive failure will be determined. The control mechanism of the progressive failure will be explained and corresponding constitutive equations will be established. In addition, mechanical models and failure theory for failure analysis of composites joint will be constituted. At last, strength prediction methods which are suitable for composite joints of large aircraft will be updated. The researches will offer theoretic supports to the design, analysis, test and assessment for composite joints of large aircraft.

大量采用复合材料是大型飞机结构先进性的重要标志，先进复合材料连接是大型飞机结构复合材料化的关键和瓶颈问题。申请人在大量复合材料胶接和螺接试验研究中发现：复材连接失效过程中损伤失效模式具有多重性、渐进性和跨尺度特性，多重损伤耦合扩展并最终导致复材连接的彻底失效。采用先进的分析方法和试验手段，可以深入研究复材连接的渐进失效机理，建立复材连接渐进失效分析的力学模型和破坏理论，并进而更新飞机工程实践的强度预测方法。针对以上几方面问题，特申请本项目支持。本项目拟揭示复合材料多重损伤耦合扩展的渐进失效机理，确定基于渐进失效机理的特征表征参量和损伤控制变量，阐释复材连接渐进失效控制机制，建立多重损伤渐进演化本构方程，针对复合材料典型胶接和螺接连接，建立典型连接失效分析的力学模型和破坏理论，建立适用于大型飞机典型连接结构的强度预测理论，为大型飞机复合材料典型连接的设计、分析、测试和评价提供理论支持。

大量采用复合材料是大型飞机结构先进性的重要标志，先进复合材料连接是大型飞机结构复合材料化的关键和瓶颈问题。本项目结合C919连接关键技术攻关及远程宽体客机关键技术预研，开展了先进复合材料连接渐进失效机理及大型飞机典型连接结构强度预测理论研究。主要研究成果包括：1）揭示了复合材料连接多重损伤耦合扩展的渐进失效机理。结合试验和计算手段，揭示了多向界面分层损伤的界面张开等多种模式耦合扩展的渐进失效机理；揭示了横向拉伸载荷下复合材料基体裂纹和纤基界面分离耦合扩展的渐进失效机理；建立复杂结构的力学模型，揭示了复杂结构的破坏形貌、失效模式和宏微观多重损伤模式耦合扩展的渐进失效机理；2）建立了典型复合材料连接失效分析力学模型和破坏理论。基于先进复合材料细观失效机理，提出了几种复合材料失效评价准则和性能蜕变模型，建立了内聚力模型方法的参数模型，建立了分层起始准则和分层扩展准则，从而发展了渐进损伤分析方法和内聚力模型方法；3）建立了大型飞机典型连接结构强度预测方法。提出并研制了钉载矢量传感器，解决了一直困扰工程实践的钉群传载测试难题；提出了一系列高精度的复合材料螺栓连接失效预测方法；系统地建立了全复合材料非平面胶接连接的破坏理论；相关理论直接应用于大型飞机和导弹型号复合材料典型连接的设计、分析、测试和评价。相关成果以第一作者出版工信部“十二五”规划专著《先进复合材料连接结构分析方法》；在复合材料领域顶级期刊Compos. Sci. Technol.、重要期刊Compos. Part A、Compos. Part B、Compos. Struct.、J. Compos. Mater.等发表SCI论文27篇，发表EI论文4篇，发表中文核心期刊及会议论文14篇；授权发明专利9项，受理发明专利7项；登记软件著作权6项；培养出站博士后1名，培养毕业博士生4名、硕士生10名；组织及参加国内外学术会议40次，在国内外会议和学术机构做邀请报告10次，担任国际国内学术会议分会场主席及评委10次，成功组织“第三届京津冀力学会固体力学高级研讨会”、“北方七省市区力学与工程研讨会”等学术会议；获得第二届中国复合材料青年科学家奖、杜庆华力学与工程奖优秀青年学者奖、何鸿燊奖教金一等奖。