● 摘要
先进复合材料具有高比强度、高比刚度、抗腐蚀、抗疲劳性能好和性能可剪裁设计等诸多优点，已成为现代飞机结构的主要材料。其在飞机结构上的应用部位逐步由小承力结构和次承力结构向受力状况更复杂的主承力结构发展。复合材料螺栓连接结构是复合材料结构的一种重要连接形式，同时也是复合材料结构的薄弱环节。准确预测复合材料螺栓连接的失效载荷、深入理解其失效机理以及揭示关键设计参数对螺栓连接失效的影响规律，对于复合材料螺栓连接结构的设计和分析具有重要的意义。
围绕典型复合材料螺栓连接结构的失效预测，论文主要完成了以下工作：
提出了考虑配合间隙和拧紧力矩影响的钉载分配分析的单参数迭代法
建立了考虑间隙和拧紧力矩影响的螺栓刚度方程，推导了单参数迭代法迭代公式。开展了三排单列连接的钉载分配测试试验，验证了单参数迭代法的正确性。进一步，采用单参数迭代法预测了典型螺栓连接结构的钉载分配。
在传统特征曲线法的基础上，提出了三参数特征曲线法
考虑剪切特征尺寸已经应用于剪切失效模式的预测中，提出了基于拉伸特征尺寸、压缩特征尺寸和剪切特征尺寸的三参数特征曲线法；推导了三参数特征曲线的表达式；开展了典型螺栓连接结构静强度试验；并分别基于直接刚度法和单参数迭代法钉载分配结果预测了多钉连接的失效。预测结果表明：相比于传统特征曲线法，三参数特征曲线法可以准确地预测螺栓连接的失效模式和失效载荷。
提出了基于渐进损伤分析方法的数值特征尺寸确定方法
为降低特征尺寸类方法应用过程中所需的成本，减少测试试验，建立了适用的拉伸特征尺寸、压缩特征尺寸和剪切特征尺寸确定渐进损伤模型，并通过与特征尺寸测试试验结果对比验证了渐进损伤模型的有效性。进一步，提出了基于数值特征尺寸的特征尺寸类方法预测螺栓连接结构失效的策略，揭示了基于数值特征尺寸的特征尺寸类方法对螺栓连接结构失效预测的误差传递机制，并通过典型螺栓连接结构静强度试验验证了所提出的分析策略的可行性。
提出了旁路载荷修正的强度包线法
在传统强度包线法基础上，考虑旁路载荷对挤压强度的影响，建立了修正强度包线理论模型。开展了强度包线法基本参数测试试验，得到了典型连接结构关键孔的传统和修正强度包线。对比了两种钉载分配方法下两种强度包线法预测的典型多钉连接失效模式和失效载荷以及典型多钉连接强度试验结果，结果表明，只有结合单参数迭代法和修正强度包线才能正确地预测多钉连接的失效模式，并且预测精度满足工程要求。
此外，采用数值测试方法，建立了典型螺栓连接渐进损伤分析模型，通过典型螺栓连接强度试验验证了模型的有效性。基于典型螺栓连接的渐进损伤分析，模拟了螺栓连接结构的损伤发生和扩展过程，揭示了典型螺栓连接结构的失效机理。开展了具有不同端距的螺栓连接试验件的静强度试验，结合渐进损伤分析，揭示了端距对典型螺栓连接失效的影响规律。
综上所述，本论文运用理论分析、试验测试和数值模拟手段，系统地研究了复合材料螺栓连接结构失效预测方法。同时对典型设计参数——端距对螺栓连接结构失效模式和失效载荷的影响规律进行了深入研究。本文工作为复合材料在飞机主结构上的应用提供了可以可靠地预测螺栓连接结构失效模式和失效载荷的分析方法，并可以为螺栓连接结构的设计提供指导。