设计-俊版开题报告俊

1、一、课题背景与研究意义近几十年，由于航工以及其他工业技术的迅速发展，传统材料已经很难完全满足其使用需求，而复合材料以其优异的力学性能受到越来越多的关注。所谓的复合材料是指由两种或者多种具有不同性质的材料使用物理或者化学方法利用先进的技术形成的具有新性能的材料，这些新性能有些是原来的组分材料所没有的。相比于传统材料，复合材料具有许多不同的优良性能例如较高的比强度、可设计性好、制造工艺简单、耐高温、热稳定好等等。因而被广泛地应用于航空航天、桥梁、航海、汽车、建筑等领域。在很久以前人类就已经开始使用根据经验制造而成的复合材料，如古代的宝剑就是使用了复杂的浇筑技术形成的金属复合材料，还有身边常见的陶瓷

2、、钢筋混凝土等。现代先进复合材料的研究最先是出于飞机方面的要求，为了能够在保证结构的强度的前提下尽量减轻结构材料的自重从而使飞机飞行性能得到较大的。而现代先进复合材料刚好满足这方面的要求，较高的比强度，可设计性好。在飞机结构上使用复合材料不仅仅能够减轻飞机重量，减少燃油、维修成本以及延长飞机的使用，而且还能满足某些特殊性能譬如达隐身。图 1-1 幻影 2000比如现在在航空航天领域使用最多的复合材料碳复合材料，它的特点是强度够高、重量轻而且由它生产出的结构在运行时产生的机械振动小、噪音小。而航空航天领域对这方面要求特别高，碳复合材料较高的比强度能够使飞机的能耗更少降低使用成本与此同时提高了飞机

3、的续航性和航速。碳复合材料的耐高温性能特别突出，比如发射的外罩就大部分是大量利用了碳复合材料。根据资料，碳在航空航天领域使用的比列情况如图 1-2 所示图 1-2 碳复合材料在航空航天领域的使用情况随着经济增长人民生活水平的提高，以飞机作为的代步工具被越来越多的人使用。正是基于这样比较旺盛的需求下，飞机需求数量的提高带动了对复合材料量的增长不妨来看看近几年来全球碳在航空航天方面的需求变化图 1-3 所示图 1-3 近几年碳复合材料在航空航天领域的需求趋势回顾历史，在 70 年代中期以前由于此时对复合材料研究相对滞后力学性能还比较低。直至后来以碳为增强体的先进复合材料诞生于 70 年代中期，碳复

4、合材料拥有许多适合航空方面的要求的性能譬如优异的比强度、耐高温和腐蚀、疲劳强度高，从而开启了复合材料在航空领域运用的新时代。目前，复合材料主要运用航空器的尾翼、机身、导流罩、机翼以及装饰结构上面。资料统计显示，如果飞机总重量的 50%都是复合材料的话，那么全机大部分的结构件都是复合材料生产出来的，比如B-2轰炸机。图 1-4 复合材料在B-2 轰炸机上的利用图 1-5隐身DDG1000复合材料在航空的领域开始发展逐渐延伸至其他工业领域，作为船舶与海洋工程专业的学生，也更应该关注复合材料在船舶建造方面的使用情况。复合材料在军舰上应用时具有许多突出的性能譬如其优良的力学性能能提高军舰在恶劣环境下的

5、能力，耐腐蚀性能好可耐酸碱腐蚀以及海水的电化学腐蚀同时海洋生物也难以在上面附着生长着很大程度延长了船舶的；大幅度的减重为军舰提高更快的航速使其具有更好的机动性能；优良的声、磁、电性能透波、透声性好、无磁性能够运用到舰艇的隐身方面；并且运用复合材料的军舰其费用远低于钢制舰艇和木制船舶。如瑞典建造的最长的也是最重的全复合材料舰级舰，全世界第一艘在舰艇结构上有效使用碳复合材料的军舰，它使用的是复合材料夹层结构也就是玻璃和碳混合增强的聚合物薄板，然后在上面包敷聚氯乙烯芯层，碳建造而成的上层建筑能够为维比斯舰提供有效的电磁防护，从而提高整体军舰的隐身性能 。Visby 级在制造成本不会大幅度增加的情况下

6、利用碳把舰艇的重量减轻了 30%左右。对该舰自重的减轻提高了舰船的性能如续航性以及降低了该舰艇的使用成本。不仅如此，复合材料在船舶上的应用还渗透到船舶的各方面结构如上层建筑、桅杆、螺旋桨、桨轴系统等等。举例说复合材料在上层建筑的应用既保证了上层建筑的强度又减轻了它的重量从而使上层建筑和船体主体连接处的应力集中得到降低进而提高船舶整体的强度。螺旋桨由于长期浸没在海水中易受到海水的腐蚀和海洋水生生物的附着从而使螺旋桨的推进性能不如设计预期，而复合材料在螺旋桨的应用刚好克服了该局限性。复合材料在推进轴系上的运用能够很好的降低轴系运转时产生的从而降低噪音既提高了船上的工作环境和舰艇的声学隐身性能。在全

7、新研制成功的 DDG 隐身上它的全复合材料上层建筑就是向内倾斜相同的角度从而做到与船体的无缝结合。随着复合材料在工业构件所占的越来越大，结构的连接是不可避免。这时，那么对于整体结构而言复合材料形成的连接部位就成为整体强度的关键所在。而由于复合材料各向异性严重，并且影响复合材料连接结构强度的比较多例如、所受载荷的方向、铺层方向等，所以对复合材料连接的研究是复杂而又不可避免的。目前，复合材料连接主要有胶接连接、机械连接、缝合连接、Z-pin 连接和混合连接，其中使用比较广泛的只有机械连接和胶接连接。机械连接是指采用螺钉或者铆钉讲两个或者两个以上连接件连接在一起。螺栓连接具有以下优点：允许拆卸检查结

8、构，方便更换或修理组件并且对于如操作温度、表面处理以及湿度不是很敏感，所以螺栓连接占复合材料连接结构的主导地位，在以往的工程中螺栓的使用比情况比铆钉多一些。鉴于螺栓连接在复合材料连接结构中的广泛应用，因此有必要对复合材料的螺栓连接进行重点的研究。通过数值模拟的方法来研究复合材料螺栓连接结构在单向拉伸载荷时的力学性能，有利于对复合材料螺栓连接的设计和利用进行优化。二、国内外研究现况及发展趋势由于复合材料螺栓连接在工程应用中的大量利用，国内外学者对其各方面诸如失效形式、失效载荷、连接强度等进行过许多研究，主要采用的方法有：数值法、法以及实验方法。需要特别的是复合材料螺栓连接是三维问题，只有利用三维

9、方法对其进行研究才符合工程中的实际情况。GRUTTA 等利用了 ABAQUS分析了层合板螺栓连接结构受弯矩作用时的接头强度。同样 Federico 等利用了 ABAQUS采纳了改善的 Hill 破坏准则，使用壳单元建立三维模型对铺层的失效进行了研究。Camanho 采用了 ABAQUS建立了螺栓连接的三维模型，较为全面地研究了螺栓连接分层失效形式，得出结论螺栓预紧力以及摩擦力对损伤的扩展影响很大。同样的也有较多的国内学者对复合材料的螺栓连接进行了研究利用了 ANSYS 和 Laminate Tools 两种对复合材料螺栓连接接头失效行为进行了研究，并研究了沉头螺栓连接的参数如沉头、螺栓直径和预

10、紧力对复合材料螺栓连接结构强度的影响。等利用了 ABAQUS研究了预紧力对复合材料螺栓连接强度的影响。得出结论对于螺栓连接在一定范围内连接结构的强度会随着预紧力的增加而增加，但是当预紧力增大到使层合板受到损伤时反而会使螺栓连接结构的强度降低等人利用了 ANSYS建立了复合材料螺栓连接的三维模型，研究了不同的边界处理方法对复合材料螺栓连接结构强度的影响，并将数值结果和实验数据进行了验证舒利用了ANSYS研究了复合材料螺栓连接的失效行为，并且仔细分析了螺栓连接的参数对单剪搭接过程中产生的二次弯曲的影响使用了 ANYSY 并采用了三维渐进损伤模型对螺栓连接的失效载荷进行了，得出双剪搭接相对于单剪搭接

11、连接强度更高，并且复合材料螺栓连接不宜采用较大的端径比。三、预计达到的目标、关键理论和技术、主要研究内容、完成课题的方案及主要措施1、预计达到的目标：利用数值分析和试验的方法来了解三维碳复合材料螺栓连接的失效模式以及不同参数例如螺栓接合几何参数、转矩、间隙、破坏模式、在接合的独立区域摩擦效应以及多螺栓接合的载荷分布对连接强度的影响。2、关键理论和技术：对复合材料单螺栓单搭和双螺栓单搭进行符合工程实际的建模。3、主要研究内容：利用 ABAQUS 建立复合材料连接结构有限元模型利用 ABAQUS 计算单螺栓复合材料连接结构的强度利用 ABAQUS 计算双螺栓复合材料连接结构的强度4、完成课题的方案

12、及主要措施：熟悉并掌握 ABAQUS 的基本操作流程查找有关复合材料性质的材料，从而对该种材料有一定的认识使用 ABAQUS 建立复合材料连接结构有限元模型利用 ABAQUS 有限元对复合材料连接结构进行强度分析四、课题研究进度安排表 1 课题研究进度安排表学期工作任务第 1 周完成外文翻译初稿第 2 周完成开题第 3 周第 6 周熟悉并掌握 ABAQUS 的基本操作流程2017第八学期第 7 周完成综述和外文翻译定稿第 8 周第 11 周对研究内容进行建模计算第 12 周第 13 周完成初稿第 14 周根据指导老师意见修改第 17 周终期答辩五、主要参考文献1 唐红艳,. 复合材料在舰艇上的

13、国外应用现状及进展J.船舶,2006,(02):6-11.2. 复合材料连接结构强度研究与失效分析D.郑州大学,2014.3 Federico P. A Study oilure Criteria of Fibrous Comite MaterialsJ. 2001.4 CarloG.D.CamanhoPedroP.FailureCriteriaforFRP LaminatesinPlane stressJ. 2003.56会. 7. 复合材料螺栓连接接头失效行为研究D.中学,2016.,张建宇. 预紧力对复合材料螺栓连接强度的影响研究A.力学力学会第二十二届学术年会会议集C.力学会,2016.,杨. 复合材料螺栓连接结构数值模拟研究J. 中国舰船研究,2008,(06):41-44+65.8学,2010.舒. 复合材料螺栓连接数值分析及次弯曲效应研究D.理工大9 刘梦媛, 刘东勋. T700/3234 层合板力学性能的研究J.料,2013,(01)