多场耦合作用下的CFRP干涉连接结构损伤演化机理及寿命预测方法

For the character of high strength and high modulus, CFRP structure is widely used in the field of aviation and aerospace more and more widely, which failure part mainly focuses on the joint interfaces. The application of interference-fit can improve continuous sealing and anti-fatigue properties. However, the problems brought by joining process, for example the damage and the residual stress, seriously damage the health service state of the CFRP structure. Therefore, this project, taking CFRP interference-fit structure as the object, carries out damage evolutionary mechanism and fatigue-life prediction method with multi-field coupling. Under the influence of residual stress, temperature, and dynamic load, propagation mechanism microscopic damage are explored, and macro/microscopic unified the damage evolution constitutive model and damage accumulation model are established. All above will provide the method of predict danger area and fatigue life of the structure on service state. The research findings of this project has remarkable scientific significance and widely useful value to support the safely and reliably application of CFRP interference-fit structures in the field of aviation and aerospace.

CFRP结构件以其高强度、高模量等优异特性广泛应用于航空航天领域，其失效部位主要集中在连接界面。虽然干涉连接能有效提高界面的抗疲劳和连续密封性能，但连接过程产生的损伤和残余应力等问题，严重影响到干涉连接结构的服役的安全性和可靠性。因此，本项目以CFRP干涉连接结构为对象，结合理论探索、实验研究和计算仿真，开展多场耦合作用下的CFRP干涉连接结构损伤演化和寿命预测方法研究，通过探索残余应力场、温度场、动态载荷应力场影响下的CFRP微损伤扩展机理，建立宏/细观统一的损伤演化本构模型和损伤累积模型，形成服役状态下的CFRP干涉连接结构危险区域预测方法和疲劳寿命预测方法，为CFRP干涉连接结构件在航天领域更加安全、可靠服役的设计制造决策提供可靠的基础理论与依据。

由于碳纤维增强复合材料（CFRP）在减重、节能等方面具有显著优势，其在航空航天等领域得到了广泛应用。CFRP结构干涉配合连接技术能够大幅提高结构的疲劳性能，延长飞机等产品的使用寿命。然而，CFRP属于多相、非均匀的脆性材料，干涉配合插钉过程会导致层合板孔周区域产生复杂的损伤，直接影响结构连接质量。目前CFRP结构干涉配合连接技术没有形成系统、专业的工艺方法，制约了CFRP结构干涉配合连接技术的应用和发展，严重影响了飞机结构装配连接质量。本项目以CFRP干涉连接结构为对象，结合理论探索、实验研究和计算仿真，通过探索残余应力场、外载荷、动态载荷应力场影响下的CFRP微损伤扩展机理，开展CFRP干涉连接结构损伤演化和寿命预测方法研究。项目基于复变应力函数方法构建了干涉残余应力场的计算模型；考虑拉伸外载的作用，建立了干涉残余应力场和外载力场耦合作用下的CFRP层合板孔周应力计算模型，并研究了损伤的萌生及扩展过程。研究了疲劳载荷作用下干涉连接的力学行为，构建了疲劳载荷作用下干涉连接的应力及损伤预测模型。为CFRP干涉连接结构件在航天领域更加安全、可靠服役的设计制造决策提供可靠的基础理论与依据。