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原文传递复合材料夹芯板螺栓连接特性分析

论文题名：	复合材料夹芯板螺栓连接特性分析
关键词：	船舶结构;复合材料夹芯板;螺栓连接;应力分析;极限承载力;失效分析
摘要：	螺栓连接具有可靠性高、可重复拆卸、受环境影响较小等突出优点，是一种高效的连接形式，在复合材料结构的连接中应用广泛。然而，由于这种连接方式需要在复合材料结构上开孔，从而导致纤维发生断裂不再连续，并且由于复合材料的各向异性，使得连接问题变得十分复杂。连接部位作为复合材料装配结构的关键部位，直接影响了结构的安全性和可靠性。因此，对螺栓连接部位进行力学特性分析，深入了解接头的失效机制、孔周应力状态以及准确预测接头的强度对充分发挥螺栓连接以及复合材料结构的优势具有重要的工程实际应用价值。本文针对复合材料夹芯板螺栓连接结构进行了如下研究：　　（1）采用“预制泡沫芯和蒙皮法”[1]自制了复合材料PVC泡沫夹芯板，其中蒙皮采用手糊成型法自制得到，PVC泡沫夹芯是由戴柏新材料有限公司生产的成品；同时，对自制的层合板进行了静态拉伸、压缩和三点弯曲试验，以获取其基本的材料属性和强度参数，并将测试得到的层合板力学参数用于本文的有限元计算中。　　（2）对不同W/D（板宽-孔径比）和E/D（孔端距-孔径比）的夹芯板单钉单搭接螺栓连接试件进行了静态拉伸试验。在保持孔径D不变的情况下，设置了不同W/D（W/D=2、3、4、5）和E/D（E/D=2、3、4、5）的试件，并对各组试件的极限承载力和失效模式进行了试验研究。研究表明：随着W/D和E/D的增大，接头的极限承载力增大，接头的失效模式由拉伸失效向挤压失效过渡，当W/D=4，E/D=4时，接头的极限承载力最大；且通过对比各组试验数据得到了使接头承载能力达到峰值的最优尺度比，即当W/D=4时，接头的综合承载能力最高。　　（3）基于渐进失效理论对夹芯板螺栓连接静态拉伸试验进行了有限元仿真，预测了接头的载荷-位移曲线，并与试验值进行了对比，以验证本文数值计算方法的准确性与可靠性，同时，揭示了拉伸载荷下带孔夹芯板的损伤发展过程及特点；对螺栓孔孔周的应力状态进行了分析，并研究了不同夹芯板坡度角和夹芯厚度对接头极限承载力的影响。研究表明：采用准静态法计算得到的载荷-位移曲线与试验值吻合良好；螺栓孔挤压面处的径向应力和周向应力的峰值出现在与各铺层的纤维方向相同的角度处；此外，夹芯板的坡度角对接头的极限承载力影响小，不同夹芯板坡度的接头极限承载力变化不超过4.9%；另外，通过改变试件的夹芯厚度确定了接头最大承载力对应的最优夹芯厚度，当h=16mm时，接头的极限承载力最强。　　（4）针对工程实际应用中更为常见的多钉连接结构，采用数值方法对不同连接形式（单搭接、双搭接、斜削双搭接）的夹芯板多钉连接结构极限承载力、破坏模式以及渐进失效过程进行了研究和对比，分析了螺栓预紧力、螺栓排距和列距对单搭接、双搭接以及斜削双搭接三种多钉连接结构的影响。研究表明，对于多钉连接结构，靠近加载端的螺栓承载较高；三种连接形式中，双搭接连接结构的承载能力最好，单搭接连接结构受附加弯矩的作用，使得承载能力减小，连接效率下降；此外，一定的预紧力能提高复合材料夹芯板多钉接头的承载能力，但过大的预紧力会造成接头局部失效，承载能力降低；螺栓排距和列距是影响多钉接头极限承载力的重要因素，增大列距和排距可以提高接头的极限承载力，过小的列距会使接头发生拉伸和挤压混合失效，承载能力明显下降。
作者：	卢嘉鹏
专业：	船舶与海洋工程
导师：	严仁军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021