● 摘要
碳纤维增强复合材料具有密度低、比强度高、比模量高等优良性能，在航空航天领域得到越来越广泛的应用，由于成型与加工工艺的发展，目前碳纤维增强复合材料已经开始作为主承力构件，应用在飞行器的重要结构中。随着碳纤维增强复合材料应用场合重要性的增加，对复合材料典型结构可靠度的要求也越来越高。由于复合材料是一种复杂多相的各向异性材料，加工制造过程复杂多变，所以其可靠度的影响因素较多，如纤维性能的离散性、成型工艺的不稳定性、加工过程的不确定性、复合材料结构的特性以及复合材料结构服役环境的复杂性等等，因此要对复合材料结构进行可靠性评价，必须对这些不确定性因素进行综合考虑。本文首先研究了树脂模塑传递成型、热压罐成型和真空辅助成型3种不同成型工艺的特征缺陷及形成机理，分析了电磁铆接、高锁连接、拉铆、压铆和锤铆等5种不同机械连接工艺对复合材料的损伤特征和损伤机理，并对这些机械连接方式进行了力学性能测试。然后本文应用声发射系统研究了单向增强复合材料的渐进损伤过程，对影响单向复合材料结构可靠性的主要因素进行了分析。最后应用解析的方法，考虑工艺的不确定性以及应力的不稳定性，对单向复合材料结构的可靠性进行了评价。研究发现，3种不同成型工艺的缺陷特征有一定的相似性，主要包括气泡、干斑、起皱和贫/富脂等，而且不同的成型工艺之间缺陷数量无明显差别；5种机械连接方式对复合材料损伤的特征差别较大，不同机械连接方式下铆钉与铆孔的配合情况也有较大区别，不同机械连接方式拉伸行为特性明显不同；声发射检测发现不同加载阶段单向复合材料呈现不同的损伤模式，但基体和界面的损伤程度比纤维的断裂数目高一个数量级，即基体和界面是复合材料中的薄弱环节，对复合材料结构的可靠性有重要影响；可靠度计算发现单向复合材料结构的可靠度受加载方向与纤维增强方向之间夹角、强度不稳定性和应力不确定性的影响很大，强度不稳定性和应力不确定性越小，单向复合材料失效包络面积越大，可靠度越高。