复合材料仿生预紧力齿连接疲劳性能研究与优化

Due to high connection efficiency, composite pre-tightened tooth connection has been applied in the civil engineering and aerospace fields. However, the fatigue of this connection technology is not good, the further development of this connection is limited by the fatigue. In this project, the experimental method of composite pre-tightened tooth connection is firstly established, the damage evolution and fatigue damage of this connection is researched by Method for optical observation of fatigue crack; secondly, based on the cohesive model and cumulative damage the predictive model of fatigue property is studied, the theoretical support of fatigue life and failure mechanism can be obtained by the model; finally, based on the bionic tooth, the influence of composite tooth of different configurations and hierarchies to fatigue life of composite pre-tightened tooth connection is researched, the fatigue property is optimized. This project is expected to gain the original achievements in fatigue theory of joint and fatigue optimization which will provide profitable guidance for the prediction of fatigue and optimization.

由于连接效率高，复合材料预紧力齿连接在土木工程、航空航天等领域中得到初步应用。但该连接技术疲劳问题较为突出，制约了复合材料预紧力齿连接进一步发展。项目组首先建立了复合材料预紧力齿连接疲劳性能实验方法，通过疲劳裂纹光学观测方法研究复合材料预应力齿连接接头损伤演化及疲劳破坏机理；其次研究基于内粘聚力和累积损伤的接头疲劳性能预测的理论模型，为复合材料预紧力齿连接的疲劳寿命影响因素和失效机理的分析提供理论支撑；最后基于生物齿连接机理，研究不同构形和层级齿对预紧力齿连接疲劳性能的影响，优化复合材料预紧力齿连接的疲劳性能。期望在复合材料预紧力齿连接理论预测和基于仿生齿对复合材料预紧力齿连接疲劳性能优化方面取得成果，为接头疲劳性能预测和优化提供指导。

由于连接效率高，复合材料预紧力齿连接在土木工程、航空航天等领域中得到初步应用。 但该连接技术疲劳问题较为突出，制约了复合材料预紧力齿连接进一步发展。项目组首先建立了复合材料预紧力齿连接疲劳性能实验方法；其次发展复合材料预应力齿连接疲劳性能理论预测模型；最后基于生物齿连接机理，研究不同构形和层级齿对预紧力齿连接疲劳性能的影响，优化复合材料预紧力齿连接的疲劳性能。其具体研究成果如下：.(1)建立GFRP管预紧力齿连接接头疲劳试验方法，针对Ф60和Ф104拉挤GFRP管预紧力7齿接头进行了静态和疲劳性能的测试。研究表明GFRP管过早的纵向开裂严重降低了接头的疲劳寿命，故为了进一步提高接头的疲劳性能，有必要对其纵向开裂的机理进行研究，从而避免GFRP发生纵向开裂提高管接头的疲劳性能。对于复合材料板预紧力齿连接，直角齿上的应力集中对接头疲劳性能有较大的影响因此需要对其优化。.(2)通过对试验结果的分析和数值模拟分析，得到了考虑横向压应力的层间剪切疲劳S-N曲线表达式，基于此提出了预测复合材料预紧力齿接头疲劳寿命的方法。本项目设计了一种和预紧力齿接头主要受力状态相似的，可以同时施加横向压缩荷载和层间剪切循环荷载的拉挤复合材料试件构型-2DEN(2 Double Edge Notch)试件，并使用幂函数模型拟合试验数据得到剪应力的S-N曲线表达式，在此基础上建立了复合材料预应力齿连接疲劳性能理论预测模型。通过该模型对复合材料管预紧力齿连接与复合材料预紧力齿连接的疲劳性能进行了研究。.(3)基于骨缝处理机理对复合材料预紧力齿连接疲劳性能进行了优化，得到了不同齿形和不同层级齿对复合材料预紧力齿接头疲劳的影响。本项目首先通过实验和理论模型研究了单齿齿形对复合材料板接头疲劳寿命的影响，然后通过分形的方法对不同层级构型的复合材料接头疲劳寿命进行了试验研究，研究表明通过改变齿形和齿的层级可以提高接头疲劳性能。由此可得通过仿生齿的思路可以有效的提高复合材料预紧力齿连接的疲劳性能，但提高机理需要进一步进行研究。