先进复合材料单剪螺栓连接的失效机理和预测理论研究

The amount of composite materials on China’s large passenger aircraft structures will increase from current 12.5% to 50% in next decade. As the major connection form in large composite structures, bolted composite joints are the bottleneck problems for wide application of composites in aircraft structures. In contrast to double-lap joints, the single-lap joints are more representative because of the wider application in aircraft structures. However, the failure prediction for the single-lap joint is more difficult as result of the secondary bending effect. The current prediction methods which mostly aim at double-lap joints are low-accuracy and low-efficiency for single-lap joints by means of parameter modification. Therefore, it is essential to establish a high-accuracy and high-efficiency prediction theory for single-lap bolted composite joints. In this project, an experimental investigation conducted using a novel designed instrumented bolt for load vector measurement will be combined with an advanced progressive damage analysis to reveal the load carrying and transferring mechanism and the effect mechanism of the secondary bending on the bolted composite joint failure. Then, a composite laminate failure criterion considering secondary bending effect will be developed. In additional, a bolt stiffness model and a mechanical model for failure prediction of the single-lap joints will be established. Finally, a high-accuracy, high-efficiency failure prediction theory for single-lap multi-bolt composite joint will be developed, which provides theoretical supports for the application of composites on China's large passenger aircraft.

未来10年，我国大型客机先进复合材料用量将从12.5%提高到50%。螺栓连接作为大型复合材料结构的主要连接形式，是飞机机体结构复合材料化的关键和瓶颈。相比于双剪螺栓连接，单剪螺栓连接在飞机结构中应用更广泛，更具有代表性，由于次弯曲效应的影响，其失效预测也更加困难。现有螺栓连接的失效预测理论多针对双剪螺栓连接建立，通过系数修正等方法应用于单剪螺栓连接时，精度和效率低，亟需建立高精度、高效的单剪螺栓连接的失效理论。本项目采用自主设计研制的钉载矢量传感器开展试验测试研究，结合先进的渐进失效模拟研究，揭示单剪螺栓连接的螺栓承载/传载机理和次弯曲对单剪螺栓连接失效的作用机理，提出考虑次弯曲效应的复合材料层压板失效准则，建立单剪连接螺栓的刚度模型和单剪连接失效预测的力学模型，最终建立高精度、高效的单剪多钉螺栓连接失效预测理论。为提高复合材料在大型客机中的用量提供理论支持。

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）开展了单钉单剪螺栓连接中螺栓的刚度模型研究。开展了典型复合材料单钉结构载荷传递机理研究；提出了考虑螺栓和连接板渐进接触的螺栓刚度模型；开展了典型参数对螺栓剪切、弯曲和拉伸刚度的影响机理研究；开展了考虑典型参数影响的螺栓刚度数学模型研究；提出了考虑旁路载荷影响的螺栓传载计算模型；2）开展了考虑次弯曲效应的单钉单剪螺栓连接失效预测模型研究。开展了考虑次弯曲效应影响的三维失效评价准则研究；建立了考虑次弯曲效应的孔边应力理论模型；提出了基于双材料性能的复合材料层合板力学性能模拟方法；提出了单向复合材料结构渐进损伤模型中三维单元的特征单元长度模型；提出了高精度、高效的单钉单剪螺栓连接失效预测半解析方法； 3）开展了高精度、高效的多钉单剪螺栓连接失效预测方法研究。开展了螺栓自定义单元理论模型研究；开展了高精度、高效的螺栓连接失效预测理论研究；建立了考虑单剪结构次弯曲影响的多钉单剪螺栓连接的二维有限元分析模型；基于刚度方法建立了多钉连接结构钉传载荷快速计算模型；基于复合材料多钉连接结构钉载分配的刚度预测方法和关键孔失效预测的强度包线方法，建立了快速预测复合材料连接结构强度的分析框架；提出了减小复合材料结构质量并提高其承载能力的螺栓连接结构三步优化策略。研究成果在国际复合材料领域高水平期刊上发表SCI论文17篇，在复合材料学报等期刊上发表EI论文4篇，在国内外学术会议上发表论文8篇；授权发明专利1项，受理发明专利4项；培养出站博士后1名，培养毕业博士生2名、硕士生2名。参加国内外学术会议14次。