答辩博士：王星星
指导老师：陈文亮教授/博导
论文题目：CFRP构件横向超声振动辅助铆接关键技术研究
答辩委员会：
主席：张开富 教授/博导 西北工业大学
委员：秦旭达 教授/博导 天津大学
孙慧玉 教授/博导 南京航空航天大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
黄 翔 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：齐振超 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2021年09月11日 14:00
地点：远程视频答辩-腾讯会议（会议 ID：933 268 727）
学位论文简介：
碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，简称CFRP）以其轻质、高强等物理特性在航空航天运输设备节能降耗方面得到了广泛的应用。由于CFRP与紧固件之间因电势差异会引起电化学腐蚀，常采用与CFRP电位相近的钛合金等作为CFRP构件机械连接紧固件材料。在CFRP构件钛合金铆钉连接过程中，钛合金铆钉冷塑性差、应变率敏感、屈强比高等原因，采用传统铆接时易出现难变形、干涉量不均匀等问题，一直限制其在航空CFRP构件承力结构装配的应用，亟待探索一种可有效改善钛合金铆钉塑性、提升连接性能的新工艺。目前，超声振动辅助技术已被应用于墩粗、拉伸、拉深等工艺，其技术成熟、易迁移、成本低等特点为本文研究提供可行性。因此，本文将超声振动辅助技术迁移到铆接中，利用超声振动的体积效应和表面效应，尝试解决钛合金铆钉铆接时面临的技术难题。
本文搭建了横向超声振动辅助铆接实验平台，采用了理论建模、数值模拟和实验研究相结合的方法，进行了横向超声振动对Ti-45Nb合金变形时软化机理的探索，开展了横向超声辅助铆接工艺对CFRP构件连接域的质量与性能影响规律研究。
主要研究内容总结如下：
（1）发现了在高应变率及高超声能场作用下，Ti-45Nb合金流动应力下降是由横向超声振动的体积效应和表面效应耦合作用所致，揭示了体积效应和表面效应的耦合软化作用对Ti-45Nb合金变形宏/微观特征演变机制。
（2）识别了横向超声振动表面效应软化现象，基于热激活能理论模型并考虑晶体结构位错滑移机制建立了高超声能场的耦合软化模型，可准确地描述和预测横向超声能场耦合软化作用下材料的力学行为，揭示了振幅对表面效应引起流动应力降低的影响规律。
（3）基于Johnson-Cook理论模型架构，研究了横向超声振动对屈服强度、应变强化系数、应变强化指数以及应变率强化系数的影响，建立了声塑性的Johnson-Cook修正模型，可准确地揭示横向超声振动作用时材料的力学行为，并开发了超声辅助塑性成形仿真的VUMAT定义子程序，探究了横向超声辅助铆接CFRP构件的孔周应力分布规律。
（4）研究了横向超声辅助铆接工艺参数对CFRP构件连接域的宏/微观变形影响规律，揭示了横向超声辅助铆接干涉量均匀性的改善机制，提出了横向超声辅助铆接CFRP构件干涉量优化与量化的逆向推演方法，有效地提高了铆接干涉量的均匀性，准确地预测了设定铆接干涉量尺寸对应的超声辅助铆接工艺参数。
主要创新点如下：
（1）揭示了横向超声振动耦合效应软化下Ti-45Nb合金微观特征的演变机制。
（2）基于热激活能理论模型，构建了考虑晶体位错滑移机制的横向超声耦合效应软化模型，识别了横向超声振动软化效应的体积效应和表面效应的耦合作用机制。
（3）揭示了横向超声强度对屈服强度、应变强化系数、应变强化指数以及应变率强化系数的影响机制，建立了声塑性的Johnson-Cook修正模型，准确地揭示了超声激励下的材料力学行为。
（4）揭示了横向超声辅助铆接工艺参数对CFRP构件连接域的物理行为影响机制，提出超声辅助铆接CFRP构件干涉量优化与控制的逆向推演方法。
