答辩博士：岳烜德
指导教师：安鲁陵 教授
论文题目：基于连接质量的飞机复材结构螺栓拧紧工艺参数确定方法
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：李东波 教授/博导 南京理工大学
周来水 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
王小平 教授/博导 南京航空航天大学
靳广虎 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
秘书：韦红余 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2021年12月19日9:00
地点：南航科技港E栋会议室
学位论文简介：
复合材料拥有较高的比强度和比模量，正在越来越广泛地使用在飞机主承力结构中。为保证装配连接的可靠性与高承载能力，较为重要的复合材料装配结构多使用螺栓连接。由于复合材料脆性较高，层间强度较低，如果螺栓拧紧工艺参数控制不当，极有可能造成预紧力较大的偏差，给连接质量带来风险。合理的预紧力是保证装配质量的关键，预紧力过小时，会降低结构的力学性能，预紧力过大时，则可能在拧紧过程中就产生层内及层间损伤，威胁结构的使用安全。因此螺栓拧紧工艺的深入研究对保证复合材料结构连接质量有重要意义。这里的连接质量主要与拧紧后螺栓连接结构的力学状态、螺栓连接结构的准静态拉伸性能及拧紧后预紧力保持度有关。文章的主要研究内容如下：
（1）提出了复合材料结构螺栓拧紧过程中T（拧紧力矩）-F（预紧力）-σ（装配应力）计算模型。通过实验研究，得到了螺纹间摩擦系数和支承面摩擦系数随预紧力的变化规律，结合基本的T-F表达式，提出了考虑摩擦系数变化的拧紧力矩与预紧力之间关系的建立方法。在LaRC05准则的基础上建立一种新的失效准则，运用有限元方法研究了拧紧过程中复合材料应力演变与渐进损伤行为，确定了拧紧时复合材料层内与层间应力及损伤较为集中的区域，并获得了预紧力与装配应力之间的对应关系，这里的装配应力特指螺栓拧紧所产生的应力。综合T-F关系与F-σ关系，建立起拧紧过程中T-F-σ计算模型。在此基础上，依据力学状态的不同划分了螺栓拧紧的各个阶段，用于对连接质量进行分析与评价。
（2）研究了拧紧工艺参数对摩擦系数的影响机制，进而建立不同工艺参数下复合材料螺栓拧紧T-F数学模型，提出T-F曲线分布区域的确定方法。通过实验分别研究了不同的润滑情况、拧紧速度、拧紧部位、密封胶和垫圈对螺纹间摩擦系数和支承面摩擦系数的影响规律，并对其成因进行了分析。在此基础上定义了T-F曲线分布区域的概念，提出了求解特定工艺参数所对应的T-F曲线分布区域的方法。T-F曲线分布区域一方面可以表征T-F曲线对特定工艺参数的敏感性，另一方面可以得到工艺参数变化时T-F曲线的变动范围，以针对拧紧过程分析不同工艺参数下的连接质量。
（3）研究了预紧力及装配应力对复合材料螺栓接头准静态拉伸性能的影响规律，提出了基于性能要求的预紧力取值范围确定方法。通过实验研究与有限元仿真，分析了不同预紧力及装配应力对复合材料螺栓接头拉伸刚度，峰值载荷及渐进损伤规律的影响。在仿真模型中提出了一种混合失效准则，计算结果与实验吻合良好。通过对实验和仿真结果的分析，得到了接头获得最佳力学性能时所对应的预紧力，以此为基准划定预紧力取值范围，结合T-F曲线分布区域，围成一个四边形区域，即螺栓拧紧工艺参数的合理区间。该区域从拉伸性能角度体现连接质量，可用于确定最佳拉伸性能所对应的拧紧工艺参数。
（4）在上述工艺参数的合理区间内，分析了各工艺参数的显著性与耦合性，建立了五个响应变量与各自显著因子之间的回归方程。利用实验方法设计（DOE），分析了五种工艺参数（拧紧速度，润滑条件，拧紧部位，密封胶和垫圈）对扭矩T，扭矩系数K，预紧力F，复合材料层压板层内应力峰值系数X(σ)与层间应力峰值系数Y(σ)的影响规律，筛选出了影响显著的因素或因素组合。在此基础上，以结构具备给定力学性能时所对应的预紧力为目标，对显著性较高的工艺参数进行优化，给出了确定最佳工艺参数组合的方法，从而使结构具有较高的连接质量。
（5）研究了复合材料连接结构螺栓松弛规律，在此基础上设计了二次拧紧工艺。分析了预紧力与密封胶对螺栓初松弛与二次拧紧后松弛的影响规律，对松弛各阶段进行了划分，使用双玻尔兹曼函数描述预紧力的松弛行为，并对函数中的关键参数进行了分析。实验结果表明，本文所设计的二次拧紧工艺可以使得预紧力在一段时间的松弛后仍保持在目标预紧力附近。
主要创新点如下：
（1）基于理论研究，结合实验与仿真分析建立了复合材料结构螺栓拧紧过程中T（拧紧力矩）-F（预紧力）与F（预紧力）-σ（装配应力）计算模型，进而提出了T-F-σ计算模型。据此得到螺栓拧紧过程中连接结构的力学状态，依据力学状态的不同确定螺栓拧紧所处的阶段，并分析其连接质量。
（2）提出了螺栓拧紧工艺参数的合理区间的确定方法。首先通过研究拧紧工艺参数对T-F曲线的影响，提出了T-F曲线分布区域的确定方法；其次研究预紧力对复合材料螺栓接头拉伸性能的影响，提出了基于性能要求的预紧力取值范围确定方法。将二者结合可以获得螺栓拧紧工艺参数的合理区间，在区间内可基于指定的预紧力对拧紧工艺参数进行优化。
（3）基于连接质量要求，提出了确定最佳拧紧工艺参数组合的方法。在工艺参数的合理区间内，通过实验方法设计（DOE）分析了各工艺参数的显著性与耦合性，在此基础上对显著性较高的工艺参数进行优化，以保证确定的拧紧工艺参数满足连接质量要求。
（4）通过实验研究了复合材料螺栓连接结构预紧力松弛规律，使用双玻尔兹曼函数建立了预紧力松弛模型。通过对函数中的关键参数的分析，提出了二次拧紧工艺并进行了实验验证，结果表明该工艺可以保证预紧力在一段时间的松弛后仍保持在目标预紧力附近。
