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复合材料结构机械连接设计分析与试验研究

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  摘要:以某型机复合材料机身与主减后接头局部连接结构为研究对象,针对结构承面外载荷较大的特殊受载形式进行复合材料-金属接头机械连接技术研究。通过有限元仿真分析,确定了复合材料-金属接头的连接形式,并对复合材料机身结构连接区的局部铺层进行了优化,随后开展复合材料-金属接头连接结构的力学试验,结果表明,在给定裁荷下,复合材料-金属接头机械连接结构具有足够的强度和刚度,满足设计要求。
  关键词:复合材料;机械连接;有限元分析;力学试验
  中图分类号:TB333 文献标志码:A 文章编号:1005-2615(2015)02-0314-05
  在复合材料结构设计中,连接设计和分析是极为关键的内容。复合材料结构的连接可以分为胶接连接、机械连接和混合连接。其中胶接一般适用于传递载荷较小的部位,机械连接适用于传递较高载荷或强调可靠性的部位。复合材料结构机械连接部位的设计和强度分析具有与金属材料结构连接部位不完全相同的内容和特点。在复合材料的连接设计中,要尽量避免结构承受面外载荷。目前,已经有许多专家学者对复合材料结构机械连接进行过理论分析、数值模拟和试验研究,取得了一定的研究成果。如蒋持平、徐耀玲等人采用解析方法进行了多钉连接件钉传载荷的计算,高宗战等人采用有限元方法分析了螺栓孔的形状、位置对复合材料板件的三维应力分布的影响,顾亦磊研究了螺栓预紧力、搭接方式、紧固件材料对多钉连接件载荷分配的影响,闫国良对孔边应力分布、法向接触力进行了研究,李跃宇研究了分层尺寸和湿热环境对复合材料连接件挤压强度的影响,宋恩鹏等人研究了刚度比对连接强度的影响,徐忠岩对多钉连接结构进行了非线性分析和试验研究。这些研究工作多集中在连接结构的面内受载,结构和受载形式均相对简单。对于面内、面外载荷共存的直升机复合材料机身与主减接头连接结构的相关研究则鲜见报道。
  随着复合材料设计与制造技术的不断提升,复合材料在直升机上的应用范围不断扩大,研制全复合材料机身结构成为可能。对直升机而言,其旋翼载倚和主减速器载荷通过布置在主减平台上的连接接头向机身结构传递,连接部位空间有限,承载大,可靠性要求高,而且受连接方式的限制,面外载荷难以避免。为克服复合材料层间薄弱的缺点,通过局部缠绕成型、补加成型、纺织技术、特种加强件、在加厚端头嵌入高强度薄片等方法提高复合材料接头的强度。本文以某型直升机主减后接头与复合材料机身连接结构为对象,开展复合材料结构机械连接的专项研究,拟解决直升机旋翼、主减速器载荷向复合材料机身结构的传递问题。
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