答辩博士：
指导老师：安鲁陵 教授
论文题目：加垫补偿对飞机复合材料结构力学性能的影响研究
答辩委员会：
主席： 汤文成 教授 东南大学
委员： 陆宝春 教授 南京理工大学
周来水 教授 南京航空航天大学
张丽艳 教授 南京航空航天大学
黄 翔 教授 南京航空航天大学
王小平 教授 南京航空航天大学
安鲁陵 教授 南京航空航天大学
秘书：王志国 副教授 南京航空航天大学
答辩时间：2021年7月1日，上午9：00
答辩地点：明故宫校区15-341
学位论文简介
先进树脂基碳纤维复合材料因其具有优异的力学性能，在航空领域的应用日趋广泛，目前已在飞机主承力结构如机翼、机身中大量应用。但受制造工艺和材料属性等因素的影响，复合材料构件制造偏差不可避免，容易产生扭曲、翘曲变形和厚度偏离，在飞机复合材料结构装配中，又加上工装定位误差等因素的影响，在不同复合材料构件之间的贴合面经常出现装配间隙，由于复合材料脆性较大，如果将装配间隙强行闭合不仅会影响飞机结构的气动外形精度而且还可能导致复合材料构件的损伤，严重降低了飞机结构的安全性和可靠性。在飞机装配过程中，通常按照间隙的尺寸和形状施加不同材质的垫片填充装配间隙即加垫补偿，当前装配间隙加垫补偿工艺依赖于经验性数据，主要以满足几何精度为目标，对复合材料构件内部应力不能进行准确控制，会降低飞机复合材料结构的装配质量，对结构的力学性能产生影响，进而影响飞机结构的服役性能。因此，亟需开展加垫补偿对飞机复合材料结构力学性能影响研究，为制定装配间隙加垫补偿工艺规范提供精细化的数据，并为提高飞机复合材料结构装配质量提供重要的理论指导。本文的主要工作如下：
（1）复合材料损伤本构关系的建立。本文从结构的力-位移曲线、复合材料构件的损伤程度以及螺栓紧固件的变形程度角度对比实验和有限元仿真结果，研究不同损伤判定准则、损伤刚度矩阵、损伤变量等因素对计算结果的影响，并考虑了复合材料的就地效应对复合材料分层判定损伤准则进行了修正，进而建立了能准确模拟复合材料构件渐进损伤过程的复合材料损伤本构关系。本文提出的运用导数求极值的思想求解复合材料纤维屈曲角度和基体断裂角度的方法，极大的提高了有限元计算的效率和收敛性。
（2）加垫补偿对复合材料单钉结构的损伤因子及应力分布影响研究。以虑及损伤机理的损伤判定准则对复合材料构件的装配应力水平进行评价，首先筛选出不同装配间隙尺寸下复合材料构件中损伤因子比较高的铺层，并研究在这些铺层内损伤因子及其对应的应力在不同装配间隙尺寸、垫片材质下的变化规律，探索复合材料构件的损伤模式和产生原因。针对在较小的间隙尺寸下加垫补偿对损伤因子的降低效果不明显的现象，探明装配应力随间隙尺寸、垫片材质变化的主要原因，最终提出使加垫尺寸大于装配间隙尺寸的干涉加垫方案。
（3）加垫补偿对复合材料多钉结构的损伤因子及应力分布影响研究。首先运用三维数字图像相关技术采集了不同孔径间距、拧紧顺序、装配间隙尺寸、垫片材质下的复合材料构件表面应变，研究应变分布规律随这些因素的变化情况，并与有限元结果进行对比验证有限元模型的准确度。然后在对单钉结构的加垫补偿效应研究的基础之上，研究拧紧顺序、钉孔间距、装配间隙尺寸、垫片材质对复合材料构件损伤因子及相关应力分布变化的影响，并探寻复合材料构件的损伤模式和损伤产生的原因，基于以上研究提出了针对复合材料多钉结构的最优加垫策略。
（4）加垫补偿对复合材料结构承载性能的影响研究。对复合材料结构进行拉伸实验，研究装配间隙尺寸、垫片材质对复合材料构件在受载过程中的表面应变的影响，并分析结构中的螺栓紧固件和垫片在受载情况下变形情况。运用本文建立的复合材料损伤本构关系对复合材料结构受载过程进行模拟，研究复合材料结构的极限挤压强度和挤压弦向刚度随螺栓预紧力、装配间隙尺寸和垫片材质的变化规律，并探寻复合材料结构的极限挤压强度与复合材料构件损伤模式和损伤程度之间的对应关系，验证本文提出的最优加垫策略的合理性，探寻装配间隙尺寸、垫片材质与装配应力、承载性能之间的内在联系。
研究工作的创新之处如下：
（1）在研究不同损伤判定准则、损伤刚度矩阵、损伤变量对仿真结果影响的基础之上，并考虑了复合材料层间强度参数的就地效应，对复合材料分层判定损伤准则进行了修正，进而建立了能准确模拟复合材料构件渐进损伤过程的复合材料损伤本构关系。另外，提出了利用一维导数法求解复合材料受载时纤维屈曲角度和基体断裂角度可以有效提高有限元计算效率和收敛性。
（2）将虑及损伤机理的损伤判定准则植入ABAQUS后处理子程序UVARM中，将复合材料构件的主应力和剪切应力整合成损伤因子的表达形式，可以更直观的对复合材料构件的装配应力水平进行评价，也有助于准确筛选最容易出现损伤的铺层、铺层内最容易出现损伤的区域和需要关注的应力种类，也可以对复合材料构件损伤模式进行准确预测，并为探明复合材料构件损伤产生的原因提供理论和数据支撑。
（3）建立能反映飞机复合材料结构装配过程中受力特征的等效装配模型，用于模拟飞机复合材料结构装配连接过程，并用于研究定量尺寸的装配间隙、不同材质垫片对复合材料构件表面应变分布规律的影响（发明专利公开号：CN108507764A）。研究装配间隙尺寸、垫片材质对复合材料构件损伤因子及应力分布的影响，针对采用加垫补偿后的不足之处，分析装配应力随间隙尺寸和垫片材质变化的主要原因，最终提出了干涉加垫方案，对各种模式的损伤因子和装配应力水平均有明显降低作用。
