整体化复合材料结构π胶接接头的破坏理论研究和结构设计

整体化复合材料结构可大幅度降低制造装配成本和减重，π胶接接头是实现整体化复合材料结构的有效连接形式。申请人对大量π胶接接头的静力试验研究发现接头"三角区"是薄弱部位，可发生损伤部位多、损伤扩展和失效机理复杂、结构参数影响大。为揭示π胶接接头破坏规律，建立能反映其复杂失效机理的数学力学模型和相应的破坏理论，指导其结构设计，特申请本项目支持。本项目通过研究近百组试验数据，结合三维数值模拟手段，追踪接头内传力路线、研究应力、应变等参量的分布规律，建立适合复合材料π胶接接头的强度预测方法、损伤、失效准则和损伤扩展模型；研究接头结构参数对其破坏影响的本质特征，建立复合材料π胶接接头的结构设计准则；进行补充试验对所建立的理论和模型进一步验证和完善。本项目研究成果将建立复合材料π胶接接头的力学性能评价体系，为其强度预测和其结构力学设计提供理论基础，为飞机主承力结构上应用整体化复合材料结构提供技术支持。

整体化复合材料结构可以大幅度降低制造装配成本和减重，复合材料胶接接头是实现整体化复合材料结构的有效连接形式。在对胶接接头的大量静力试验研究中发现“三角区”是薄弱部位，可发生损伤部位多、损伤扩展和失效机理复杂、结构参数影响大。为揭示胶接接头破坏规律，建立能反映其复杂失效机理的数学力学模型和相应的破坏理论，本项目在对近百组试验数据分析的基础上对复杂复合材料结构数值分析模型建模准则、三维材料确定方法、复合材料失效理论、胶接接头极限强度预测方法、接头失效过程及失效机理、接头设计参数影响规律及优化设计等方面进行了广泛而深入的研究。.在数值分析模型研究方面，本项目建立了适用于复杂复合材料应力应变及初始强度分析的建模准则，并提出了适用于复合材料结构强度判断和分析的直观显示技术。根据复合材料的弹性特点建立了由材料工程常数确定复合材料三维参数的方法。通过深入地研究单向增强复合材料的破坏模式和破坏机理，建立了适用于单向增强复合材料的修正最大应力准则。在复合材料胶接接头极限强度预测方面，本项目从损伤力学和断裂力学两个方面开展了深入的研究。在损伤力学方面，本项目对渐进损伤模型的应力分析、失效准则和材料退化模型进行了大量研究，提出了针对修正最大应力准则的材料退化模型，建立了适用于复合材料胶接接头强度分析的渐进损伤模型；在断裂力学方面，本项目对基于内聚力模型理论的有限元进行了细致的模型参数研究，确定了适用于复合材料裂纹扩展模拟的内聚力模型，并成功地应用于复合材料胶接接头强度数值分析中。采用数值与试验结合的方法，本项目揭示了不同复合材料胶接接头在不同载荷下的破坏过程和破坏机理。通过对复合材料胶接接头众多设计参数的影响规律研究，本项目确定了复合材料胶接接头设计的基本准则，并通过试验进行了验证。.本项目研究成果将为其强度预测和结构力学设计提供理论基础，为飞机主承力结构上应用整体化复合材料结构提供技术支持。