题目：先进复合材料连接结构分析的渐进损伤方法研究

       先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可剪裁设计和易于整体成形等优异的特性，可以显著降低飞机结构的重量，提高飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性。目前，先进复合材料在飞机结构中的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标。复合材料连接结构是载荷汇聚和传递的枢纽，既是整体结构的关键部位也是薄弱环节，其破坏将直接影响到结构的承载能力和结构的安全。因此，深入地理解复合材料连接结构的失效机理，建立有效的分析方法，准确地评价和预测复合材料连接结构的力学性能，揭示连接结构主要参数的影响规律和影响机制，对先进复合材料连接结构的设计和分析具有重要意义。

      论文从复合材料失效准则、材料退化模型和应力分析模型三个方面对广泛应用于复合材料结构分析的渐进损伤方法展开系统、深入的研究，提出了适用于单向增强复合材料的修正最大应力准则及三维突降和渐降材料退化模型，基于渐进损伤分析和试验结果，研究了复合材料非平面π胶接连接和典型螺栓连接的力学性能，揭示了连接结构的失效机理和主要设计参数的影响规律。论文在以下几个方面开展了研究工作，并取得一定创新性研究成果：

      1、提出了考虑裂纹方向的修正最大应力准则和对应的突降材料退化模型，并开发了嵌入修正最大应力准则和突降材料退化模型的复合材料三维突降渐进损伤分析模块。

      基于横观各向同性假设，结合复合材料的失效机理，提出了能够预测复合材料裂纹角度的修正最大应力准则，采用纤维方向应力预测纤维拉伸和压缩失效，采用横观各向同性面内最大和最小应力预测基体拉伸和压缩失效，采用最大纤-基剪切应力预测纤-基剪切失效，同时给出了基体失效和纤-基剪切失效的裂纹角；推导了考虑裂纹方向的复合材料刚度矩阵和坐标转换公式，建立了考虑裂纹方向的复合材料突降材料退化模型。基于有限元软件Abaqus的二次开发功能将修正最大应力准则和突降材料退化模型嵌入到Abaqus软件中，开发了复合材料三维突降渐进损伤分析模块。

      2、提出了考虑裂纹方向的复合材料三维渐降材料退化模型，建立了损伤耦合效应、裂纹闭合效应等多种损伤现象的数学模型，在数值实现方面采用裂纹带理论和粘性规则化法改善渐进损伤模型的网格依赖性和计算收敛性，并开发了嵌入渐降材料退化模型的复合材料三维渐降渐进损伤分析模块。

      基于连续介质损伤力学基本理论，从复合材料的失效机理出发，考虑了纤维和纤维间损伤、损伤耦合效应、裂纹闭合效应、损伤对弹性模量和泊松比的影响，以及纤维压缩失效后材料不可消失表现出的不可压缩性等因素，采用三个损伤变量表征纤维方向和两个基体方向的损伤，建立了纤维损伤和基体损伤耦合、裂纹闭合效应和含损伤材料的弹性模量和泊松比的数学模型，控制纤维压缩过程中弹性模量和泊松比随着损伤变量的变化，实现了复合材料力学模型向不可压缩模型的过渡，建立了描述纤维方向压缩载荷下纤维压缩失效行为的近似模型，进而提出了复合材料三维渐降材料退化模型。针对渐进损伤模型用于数值模拟时对模型网格依赖度大的问题，采用裂纹带模型降低网格对渐进损伤分析结果的影响，提出了复合材料三维单元特征长度的计算方法和计算公式。针对渐降材料退化模型在数值模拟时收敛性差的问题，采用粘性规则化法来提高模型的收敛性，并推导了有粘、渐降材料本构方程的切线刚度矩阵。基于有限元软件Abaqus的二次开发功能，嵌入了修正最大应力准则和渐降材料退化模型，开发了复合材料三维渐降渐进损伤分析模块。

      3、建立了复合材料非平面pi胶接连接的渐进损伤模型，开展了非平面pi胶接连接的静力试验，验证了模型对不同铺层和构型p胶接连接的适用性，基于试验和渐进损伤分析，揭示了pi胶接连接的拉伸和弯曲失效机理和典型设计参数的影响规律。

      采用修正最大应力准则及对应的突降材料退化模型建立典型非平面pi胶接连接渐进损伤模型，开展典型pi胶接连接静力拉伸试验，验证了该模型有效性；进一步，开展不同铺层和构型pi胶接连接的拉伸和弯曲试验与数值分析，验证了该模型对于pi胶接连接静强度预测的适用性。该模型有效地预测了结构的拉伸和弯曲损伤扩展、刚度变化和极限破坏强度。结合典型pi胶接连接拉伸和弯曲的数值和试验结果，研究了拉伸和弯曲载荷下pi胶接连接从初始损伤、损伤扩展到极限破坏的失效过程，揭示了pi胶接连接的失效机理。基于渐进损伤方法揭示了pi胶接连接铺层、尺寸、构型等设计参数的影响规律，并通过典型试验进行了验证。

      4、建立了复合材料孔板和螺栓连接的渐进损伤模型，开展了典型孔板和螺栓连接的拉伸试验，基于渐进损伤分析和试验结果，揭示了复合材料螺栓连接强度包线法中应力集中减缓因子不同测定方法产生差异的原因，确定了应力集中减缓因子测定方法，揭示了紧固件形式对螺栓连接强度的影响规律。

      采用修正最大应力准则、渐降材料退化模型和三维有限元模型建立了复合材料孔板和螺栓连接的渐降渐进损伤模型，并开展孔板和螺栓连接拉伸试验，验证了模型的有效性。该模型不仅具有较低的网格依赖性，而且能较好地模拟孔板和螺栓连接的失效过程、刚度变化和极限破坏载荷。开展了开孔、填充孔和受载孔板的渐进损伤分析和试验，比较了复合材料螺栓连接强度包线法中应力集中减缓因子不同测定方法的差异，揭示了导致应力集中减缓因子差异的原因。开展多钉连接拉伸试验，确定了螺栓连接应力集中减缓因子测定方法，同时，验证了采用渐进损伤分析代替螺栓连接应力集中减缓因子测定试验方案的可行性。采用螺栓连接的精细有限元模型和渐进损伤模型从接触面、局部变形、应力分布和损伤扩展过程等方面揭示了紧固件类型对螺栓连接强度的影响规律。

      此外，本文阐述了复合材料失效准则和渐进损伤分析方法的研究现状和存在问题；研究了复合材料结构精细建模技术，建立了基于工程常数确定三维材料参数的方法；提出了基于路径设置的复合材料结构强度、应力和失效综合显示方法。

      综上所述，本文在理论分析、数值模拟和试验研究的基础上，系统地研究了渐进损伤方法的理论和应用技术，提出了适用于复合材料连接结构的渐进损伤分析模型，结合数值和试验结果研究了非平面胶接连接和螺栓连接的力学特性和关键设计参数影响规律，为复合材料连接结构的设计和分析提供了有效的方法和技术支持。