● 摘要
先进复合材料因其具有高比强度、高比刚度、良好的耐久性、铺层可设计等优点，在飞行器结构中的应用日益广泛。与传统的复合材料组合结构相比，整体化复合材料结构可以大幅度减少紧固件数量、节省装配工时，有效地降低结构重量和制造成本。应用整体化设计、分析和制造技术实现复合材料结构整体化可以显著提高飞机结构经济性。结构元件之间的非平面连接是复合材料整体化技术的难点之一。采用非平面胶接接头可以分解整体结构非平面连接问题的难点，降低结构成型风险。因此，针对复合材料整体化结构的非平面胶接接头的设计和应用技术开展研究具有重要的工程意义。论文针对航空领域常用的复合材料π胶接接头结构，采用试验和计算相结合手段，进行了静力、疲劳载荷下π胶接接头的失效特性、破坏机理和设计规律的研究。论文在以下几个方面开展了工作，并取得了创新性成果：1）揭示了弯曲载荷作用下π胶接接头的失效机理。论文采用渐进损伤方法对接头在弯曲载荷下的力学行为进行了数值模拟，并开展了相应的静力试验，确定了适合π胶接接头计算分析的失效准则。可以获得π胶接接头的初始损伤部位和失效载荷、损伤扩展过程、最终失效部位和失效载荷。计算分析并总结了材料、铺层角度、几何尺寸和结构构型等因素对接头弯曲强度的影响规律。2）测试了π胶接接头拉-拉疲劳载荷下的S-N曲线，分析了其疲劳失效行为的特点。开展了静力拉伸试验和拉-拉循环载荷下疲劳试验，并发现：接头的疲劳极限远低于接头静载作用下的初始破坏载荷；疲劳过程可分为裂纹形成和裂纹扩展两个阶段；疲劳裂纹萌生于静力试验初始损伤部位或结构应力集中部位；结构的总体刚度退化行为复杂。3）探索了含裂纹复合材料π接头的剩余强度问题。对含裂纹的复合材料π胶接接头开展了拉伸剩余强度试验，结果表明，在试验的裂纹长度范围内，含裂纹π胶接接头强度下降幅度不大。采用渐进损伤方法计算模拟了拉伸载荷作用下含裂纹复合材料π胶接接头的失效过程，并预测了其剩余强度，计算模拟与试验结果符合良好。采用渐进损伤方法分别预测了无裂纹复合材料π胶接接头的静力弯曲强度和含裂纹复合材料π胶接接头的弯曲剩余强度，通过比较预测结果，得出是否含有裂纹对接头的弯曲强度和弯曲刚度影响显著。综上所述，论文对整体化复合材料结构π胶接接头的静力、疲劳和剩余强度特性开展了研究。揭示了弯曲载荷下π胶接接头的失效机理，总结了设计参数对接头弯曲强度的影响规律，测试了拉-拉循环载荷作用下π接头的疲劳特性，分析了含裂纹复合材料π接头的剩余强度特性，为复合材料π胶接接头在飞机结构中的工程应用打下了基础。