答辩博士：李明
指导老师：田威 教授
论文题目：制孔质量与铆接工艺对连接结构力学性能影响机制
答辩委员会：
主席：李小宁 教授/博导 南京理工大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
曲宁松 教授/博导 南京航空航天大学
陈文亮 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
田 威 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：胡俊山 讲师/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022年06月02日14:00-17:00
答辩地点：南航明故宫校区15-341
学位论文简介：
本课题在新一代航空航天装备关键制造技术的需求驱动下，旨在研究制孔质量与铆接工艺对连接结构力学性能影响机制。针对目前新型材料结构制孔工艺机理缺失和铆接成形机理薄弱的缺点，基于自动钻铆装备的特点探究了配合间隙、孔径偏差、孔垂直度误差、钉头约束形式与结构件剪切性能、拉脱性能、疲劳性能之间的量化关系，揭示了连接结构的破坏机制。建立了残余应力与外载耦合影响的疲劳寿命预测模型，完成了不同制孔精度与孔径规格下的连接结构疲劳寿命预测。为我国新一代飞机长寿命连接的工业化应用提供工艺解决方案，也为自动钻铆工艺体系的建立提供理论支撑和方法指导。
主要工作及成果如下：
（1）针对配合间隙对铆接接头剪切性能影响机理鲜有报道以及对疲劳寿命影响规律不够系统的问题，研究了配合间隙和铆接力对铆接接头力学特性的影响。发现：初始配合间隙对铆接接头的剪切强度有显著影响，而对拉脱强度影响很小；增大配合间隙可以有效提高剪切性能，而增加铆接力可以提高拉脱性能。随着配合间隙的减小，铆接接头的疲劳寿命增加。铆接力越大，疲劳寿命越大。配合间隙和铆接力对铆接接头的失效形式有显著影响。
（2）针对孔径偏差与金属叠层材料铆接件力学性能关系尚未建立的问题，探索了阶差大小、阶差方向、铆接力对铆接结构力学性能的影响规律。发现：阶差大小和阶差方向对镦头尺寸影响很小，而对干涉量影响显著。孔径偏差对剪切强度和拉脱强度影响不大。阶差越大疲劳寿命越低，负阶差试样比正阶差试样的疲劳寿命高。阶差的存在使得以提高铆接力的方式进行疲劳寿命增益的效果减弱。
（3）针对孔垂直度误差对铆接结构力学性能影响机理缺失的问题，量化了倾斜角度、倾斜方向、铆接力与铆接接头力学性能间的关联规律。发现，倾斜角度增加，铆接接头的剪切载荷和拉脱载荷略有增加。随着铆接力的增加，失效形式由板失效向铆钉失效转变。倾斜角度增加，铆接接头疲劳寿命降低。0°倾斜方向试样疲劳寿命高于180°倾斜方向试样。此外，增加铆接力一定程度上可以减小倾斜角度对疲劳寿命的不利影响。
（4）针对铆钉制造头端约束形式影响铆接成形质量，以及对铆接接头力学性能的对比研究未见报道的问题，揭示了钉头约束形式与铆接力对连接件力学性能的影响机制。发现：钉头约束形式对剪切强度影响很小，而对拉脱强度影响较大。平头铆模试样疲劳寿命明显高于凹头铆模试样。平头铆模铆接结构适用于承载剪切载荷和疲劳载荷的工况，而凹头铆模铆接结构适用于承载拉脱载荷的工况。
（5）针对连接结构疲劳寿命预测模型缺乏的问题。建立了铆钉和板模型力学模型，对开孔试样进行了应力-疲劳寿命修正，构建了等效应力幅值模型，得到了连接结构疲劳寿命预测模型。发现：随着最大应力的减小连接结构的疲劳寿命增加。当孔径精度从H7降低到H9时，疲劳寿命区间变宽。当孔径规格由D4.82变化为D4.06时，其疲劳寿命区间变窄。此外，孔径规格越小疲劳寿命的分散性就越小。
主要创新点如下：
（1）分析了剪切载荷和拉脱载荷随初始配合间隙、孔径偏差、孔垂直度误差、钉头约束形式以及铆接力的变化规律，表征了连接结构的宏观和微观断裂特征，对载荷-位移曲线进行了阶段划分并与断裂过程建立关联关系，阐明了剪切和拉脱失效机理。
（2）研究了连接结构微观组织演变规律，分析了铆接过程铆钉成形机理，探讨了连接结构界面接触特征，得到了制孔质量与铆接工艺对界面间隙的影响规律，阐明了异种干涉量分布形态形成原理。
（3）量化了初始配合间隙、孔径偏差、孔垂直度误差、钉头约束形式以及铆接力与疲劳寿命之间的关联关系，发现了孔径偏差、孔垂直度误差与铆接力对疲劳寿命增益的弱化和增强作用，探究了疲劳过程界面微动磨损特性，揭示了连接结构疲劳失效机制。
（4）对开孔试样疲劳缺口因子进行了修正，构建了等效应力幅值模型，得到了残余应力与外载耦合影响的连接结构疲劳寿命预测模型。阐明了制孔精度与孔径规格对疲劳寿命及其分散性的影响规律。
