一种复合材料干涉配合接头应力分布计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合材料结构加工与装配领域，具体涉及一种复合材料构件干涉配合 接头孔边应力分布计算方法，用于精确计算和分析复合材料构件干涉装配连接后的孔边残 余应力分布。
【背景技术】
[0002] 与传统金属材料相比，复合材料结构具有较高的比强度和比刚度以及抗腐蚀性能 好等优异性能，其在汽车、航空、航天等结构重量敏感领域的应用越来越广泛，尤其是碳纤 维增强复合材料（CFRP)已成为现代飞机结构的重要材料。复合材料主要承力结构一般采 用螺栓和铆钉等机械连接形式，但是复合材料接头是其结构中最薄弱的区域，根据相关资 料统计，有60 %~80%的结构失效发生在接头部位。随着干涉配合连接技术的发展，其在 金属结构的装配中得到广泛应用，并显著提高了结构强度和疲劳寿命。美国麦道公司研宄 证明复合材料干涉连接结构同样可提高其疲劳寿命，但是由于复合材料层间强度低和脆性 原因，其干涉配合连接工艺要求较高，在实际中的应用发展较为缓慢。
[0003] 复合材料结构制孔和干涉配合连接后，接头周围会产生非常不均匀的残余应力， 孔边应力集中较为严重，有可能使复合材料结构萌生损伤，影响结构强度和寿命。孔边残余 应力主要与复合材料属性、铺层方向以及干涉量有关，合适的干涉量能够显著提高结构疲 劳寿命，但是过大的干涉量会使结构产生挤压损伤和分层损伤。
[0004] 目前已有很多学者对复合材料连接结构孔边应力分布开展了多种研宄， 其主要集中在以下两个方面：含孔复合材料结构在多种外载荷作用下的孔边应力 分布研宄（UkadgaonkerVGandRaoDKN,"Ageneralsolutionforstresses aroundholesinsymmetriclaminatesunderinplaneloading" ?Composite Structures,vol. 49,No. 3, 2000,pp. 339-354);复合材料间隙配合连接结构在拉伸载荷 下钉载应力分布研宄（GrilberB,HufenbachW,KrollL,LepperMandZhouB,"Stress concentrationanalysisoffibre-reinforcedmultilayeredcompositeswith pin-loadedholes"，CompositesScienceandTechnology,vol. 67,No. 7-8, 2007,pp. 14 39-1450)。对于复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力的研宄主要采用有限元模拟和数 值计算方法（KimS,HeB,ShimC,andKimD,"Anexperimentalandnumericalstudy ontheinterference-fitpininstallationprocessforcross-plyglassfiber reinforcedplastics(GFRP) "，Composites:PartB,vol. 54,pp. 153-162)，其计算时间成 本非常大，而且计算时间随计算精度的提高成指数级增大。
【发明内容】
[0005] 要解决的技术问题
[0006] 为了使复合材料零部件之间准确可靠连接，以及密封和长寿命需求，飞机承力结 构一般采用干涉配合连接，连接孔边残余应力是评价连接质量的关键因素，其直接影响着 飞机结构的强度和疲劳寿命。针对纤维增强复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力的研 宄主要采用有限元模拟和数值计算方法，这种方法存在的主要问题有：1)计算时间成本非 常大，而且计算时间随计算精度的提高而成指数级增大；2)精确度浮动性比较大，建模水 平、边界条件和载荷工况的真实性直接影响计算准确度；3)未深入研宄螺栓-孔表面接触 关系，以及非均匀应力产生机理；
[0007] 针对上述问题，本发明描述了一种复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力分布 的计算和分析方法，基于Muskhelishvili和Lekhnitskii的弹性力学复势理论，分别建立 钉和孔的应力分布模型，通过分析螺栓-孔变形前后接触关系，确定螺栓-孔接触应力，并 将其带入孔边应力分布模型，实现复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力场的精确计 算，为结构连接设计和强度分析奠定基础。
[0008] 本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足和缺陷，提供一种复合材料构件 干涉配合接头孔边应力场计算和分析方法，用于精确、快速计算复合材料接头干涉配合区 域的残余应力分布，为研宄干涉连接损伤和结构强度奠定基础，对复合材料结构干涉配合 连接优化设计提供指导。该方法计算量少、成本低并且具有较高的计算精度，能够满足实际 复合材料装配生产过程中的应用需要。
[0009] 技术方案
[0010] 本发明方法涉及到的主要部件为螺栓（1)、复合材料板（2、3)，其中螺栓初始半径 为IV复合材料板螺栓孔初始半径为Rtl、复合材料板厚为t、复合材料宽度为W、复合材料板 螺栓孔与端头最短距离为E。在进行干涉配合连接时，将螺栓通过冷挤压方式安装到复合材 料螺栓孔中。
[0011] 一种复合材料干涉配合接头应力分布计算方法，其特征在于步骤如下：
[0012] 步骤1 :将复合材料构件通过螺栓进行干涉配合连接，所述的螺栓在干涉配合变 形前的横截面Sp为圆形，初始半径为rC1;建立螺栓在边界法向接触应力P和切向接触应力 T作用下的复应力函数：
【主权项】
1. 一种复合材料干设配合接头应力分布计算方法，其特征在于步骤如下： 步骤1;将复合材料构件通过螺栓进行干设配合连接，所述的螺栓在干设配合变形前 的横截面Sp为圆形，初始半径为r。;建立螺栓在边界法向接触应力P和切向接触应力T作 用下的复应力函数：
其中；Z=x+iy为螺栓横截面Sp内任一点； 螺栓边界在法向接触应力P和切向接触应力T作用下，变形位移分量Uxp、Uyp的复函数 形式满足W下边界条件：
求解上述边界条件方程可得笛卡尔坐标系下X、y方向螺栓边界变形位移分量为：
其中：
E和V分别为螺 栓材料的杨氏模量和泊松比； 步骤2 ;建立复合材料构件孔壁在边界法向接触应力P和反向切向接触应力-T作用下 的复应力函数：
其中；R。为复合材料螺栓孔的初始半径，S1，S,为复合材料的第一类复参数，且S1声S2;Zi=X+Sly和Z2=X+S2y为螺栓孔外部区域Sh内任意两点，Sh与s'h满足保角映射关系 如下式所示：
笛卡尔坐标系下的螺栓孔边应力分量Oy、Oy、Tq表示为；
笛卡尔坐标系下的螺栓孔边变形位移分量U&、Uyh表示为：
其中
，(m,n= 1, 2, 6)是对称复合材 料的柔度矩阵系数； 步骤3 ;螺栓和复合材料螺栓孔变形之后，螺栓边界与孔边界相互接触，螺栓和螺栓孔 边变形位移在X、y方向的分量Uyp,Uyp,Uyh,Uyh满足W下关系：
其中0为边界任一点到圆屯、的连线与X轴正方向的夹角，0°《0 < 360° ; 求解Uxp，Uyp，Uxh，Uyh关系式得到法向接触应力P和切向接触应力T的表达式，然后将法 向接触应力P和切向接触应力T代入螺栓孔边应力分量表达式中求解出复合材料构件螺栓 孔边残余应力分布0X、0y、Txy; 将笛卡尔坐标系中的Oy、Oy、变换到圆柱坐标系下，得到复合材料螺栓孔边的径 向应力0r、周向应力00和切向应力Tre为；
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【专利摘要】本发明涉及一种复合材料构件干涉配合接头孔边应力分布计算方法，基于Muskhelishvili和Lekhnitskii的弹性力学复势理论，分别建立钉和孔的应力分布模型，通过分析螺栓-孔变形前后接触关系，确定螺栓-孔接触应力，并将其带入孔边应力分布模型，实现复合材料结构干涉配合接头孔边残余应力场的精确计算，为结构连接设计和强度分析奠定基础。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104794299
【申请号】CN201510213342
【发明人】程晖, 宋丹龙, 刘平, 张开富
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月29日