● 摘要
先进复合材料螺栓连接作为复合材料结构的重要连接形式和传力枢纽，是大型飞机机体结构大面积采用复合材料的关键。先进复合材料螺栓连接的可靠性直接影响着复合材料整体结构的完整性和可靠性。因此，通过复合材料螺接结构的可靠性分析准确评价几何参数、铺层角度、材料特性及载荷等的不确定性对连接结构力学性能的影响对复合材料在飞机结构上的进一步应用具有非常重要的意义。
本文针对典型复合材料双剪螺栓连接结构，将复合材料螺栓连接的失效预测方法与可靠性分析方法——随机有限元法中的蒙特卡洛模拟相结合，进行连接结构可靠性研究。论文具体开展的工作如下：
1）典型复合材料四钉双剪连接失效载荷的区间分析
考虑由制造公差引起的配合间隙范围，研究了配合间隙对四钉双剪连接钉载分配的影响，得到了钉载分布的包络工况，并基于三参数特征曲线法和改进的强度包线法进行了失效载荷的区间分析，而对于渐进损伤方法，直接以考虑间隙的四钉双剪连接渐进损伤模型进行失效载荷的区间分析。采用三参数特征曲线法、改进的强度包线法和渐进损伤方法预测得到的连接结构失效载荷的分散区间分别为[-3.87%，2.16%]、[-4.01%，3.95%]和[-3.16%，5.14%]。
2）典型复合材料单钉双剪连接概率模型研究
建立了单钉双剪连接的层压孔板几何参数统计模型、基于宏观和细观尺度方法的单层材料力学性能参数统计模型及参数化失效预测有限元模型，并将其结合建立了6个可靠性分析的概率模型，进行了概率模型研究，得到对于本文的单钉双剪连接而言，单层力学性能参数取正态分布、对数正态分布或威布尔分布对失效载荷的概率分布特性没有影响；是否考虑单层弹性参数相关性对失效载荷的概率分布特性没有影响。
3）典型复合材料单钉双剪连接可靠性分析与设计
基于概率模型I~IV得到的失效载荷的概率分布特性，在给定外载荷统计特性的情况下，进行连接结构可靠性分析，得出随着外载荷增大，连接结构可靠度降低，并且当外载荷大于15.84kN时，随着外载荷增大，结构可靠度迅速下降。为了分析各随机参数对失效载荷的影响程度，利用概率模型I~IV进行了灵敏度分析，得出影响连接结构可靠性的关键参数为单层纵向压缩强度XC、单层厚度tply及纵向弹性模量E11。基于关键影响参数，建立了基于可靠性的单钉双剪连接优化设计方案，对单钉双剪连接进行了优化设计，使得外载荷为17.16kN的工况下的连接结构可靠度由0.9976提高到0.999999以上，同时基于概率模型I的优化设计得到的最优设计方案使得连接结构的质量由78.41g下降到73.75g。
综上所述，本文将复合材料双剪螺栓连接的失效预测方法与可靠性分析方法结合，研究了典型复合材料螺接结构可靠性。本文的研究旨在为大型飞机典型复合材料螺栓连接可靠性分析与设计提供参考。