复合材料结构件干涉连接行为及其失效机理研究

复合材料结构件以其轻而强、抗疲劳、抗腐蚀、省燃料等特性广泛应用于航空、航天领域，其失效主要部位在连接界面，干涉连接作为疲劳增益的连接方法被用于复合材料结构件连接，而其产生的过盈量极易导致连接界面损伤甚至破坏，因此干涉连接行为、损伤缺陷及其失效机理就成了复合材料结构件干涉连接可靠、安全设计的决策依据。本项目在理论分析、实验研究和计算仿真的基础上，揭示复合材料纤维方向、接头结构、干涉量等对干涉连接行为的作用规律；揭示干涉连接过程缺陷、损伤、残余应力等对干涉域的性能影响；揭示疲劳行为过程中干涉域裂纹萌生、扩展及断裂等内部组织变化规律，基于"耐久性/损伤容限" 建立干涉连接失效行为模型，实现无损干涉连接极限约束下干涉连接工艺优化，为复合材料结构干涉连接的设计制造决策提供基础理论与方法。本研究对复合材料在航空、航天等领域的安全、可靠应用具有重要的科学意义和应用价值。

随着复合材料的发展和连接技术的提高，复合材料已经广泛地应用于航空航天结构。研究表明，在复合材料结构中采用适当的干涉配合连接技术，可以大幅度提高接头的疲劳寿命。干涉连接过程中，由于紧固件和复合材料层合板的综合作用，孔边区域成为整个结构的薄弱环节，装配及加载过程中易产生应力集中；而复合材料本身所具有的非均匀性和各向异性使得孔边应力分布更加复杂，导致其破坏形式多样。因此干涉连接行为、损伤缺陷及其失效机理就成了复合材料结构件干涉连接可靠、安全设计的决策依据。项目围绕复合材料结构件的干涉连接行为及其失效机理开展研究，研究内容包括干涉残余应力、承载应力、疲劳寿命及相应的损伤萌生与扩展成果，并建立相关数学模型实现理论预测。项目采用理论、仿真和试验相结合的方式揭示了复合材料结构件纤维铺层方向、干涉量、拧紧力矩对干涉连接过程的作用规律，构建了CFRP层合板干涉螺栓连接装配孔边应力的数学模型，实现了复合材料结构件干涉连接行为的预测；研究了复合材料干涉构件损伤和缺陷的产生机理，提出了干涉连接接头损伤抑制策略，构建了复合材料干涉连接损伤模型，能有效分析CFRP干涉构件损伤区域的产生和扩展规律；提出干涉连接行为预测与参数优化新方法，从干涉量与预紧力两方面的工艺参数进行有限元模拟分析，可以实现干涉连接工艺优化设计。