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内容简介

　　先进复合材料在航空航天中的应用日趋广泛，其连接结构的强度是结构安全性的核心问题之一。《先进复合材料连接结构分析方法》基于国内外先进复合材料连接结构分析基础及作者在该领域的研究成果和经验总结，结合理论和实践系统地阐述了复合材料的基本概念、复合材料结构分析的理论基础和有限元分析技术、先进复合材料机械连接和胶接连接的基本知识和强度预测的典型分析方法，以及典型分析方法的应用实例和试验验证。
　　《先进复合材料连接结构分析方法》可作为航空、航天专业、力学专业研究生的教科书，也可供飞机结构设计和强度专业的教师和工程技术人员参考。

目录

第一篇 先进复合材料结构分析基础
第1章复合材料基本概念
1.1复合材料的定义
1.2复合材料的分类
1.3复合材料的性能特点
1.4复合材料结构的力学性能特点
参考文献
第2章单层板弹性力学基础
2.1各向异性体弹性力学基本方程
2.2平面应力与平面应变
2.3单层板的弹性特征
2.4单层板的工程常数
参考文献
第3章层压板弹性力学基础
3.1经典层压板理论
3.2层压板铺层应力分析
3.3典型层压板刚度特征
参考文献
第4章强度理论
4.1本位强度
4.2就地强度
4.3复合材料结构强度特点
4.4强度比
4.5层间强度
4.6典型失效准则
4.7层间失效准则
参考文献
第5章复合材料结构有限元分析技术基础
5.1复合材料结构基本分析方法
5.2基于ABAQUS�j软件的有限元模型基本单元
5.2.1基本单元
5.2.2单元相关知识
5.3材料本构参数设置
5.3.1二维材料模型本构参数设置方法
5.3.2三维材料模型本构参数设置方法
5.4复杂复合材料结构载荷、强度和失效模式综合显示方法
5.5基于ABAQUS�j软件的二次开发功能
参考文献
第二篇 先进复合材料机械连接分析方法
第6章复合材料机械连接概论
6.1机械连接形式及典型失效模式
6.2机械连接分析的主要内容
6.3BOJCAS计划简介
参考文献
第7章钉载分配分析方法
7.1概述
7.2钉载分配的刚度法
7.2.1单排钉连接
7.2.2多排单列钉连接
7.2.3规则的多排多列钉连接
7.3钉载分配计算的有限元方法
7.3.1传统的二维有限元模型
7.3.2新二维有限元模型
7.3.3三维有限元模型
参考文献
第8章机械连接应力分析方法
8.1概述
8.2解析法
8.3有限元法
参考文献
第9章机械连接静强度预测方法
9.1概述
9.2强度包线方法
9.2.1复合材料应力集中减缩系数及应力集中减缓因子
9.2.2经典强度包线方法
9.2.3应力集中减缓因子修正方法
9.2.4强度系数修正方法
9.2.5钉载均布修正方法
9.2.6基于旁路载荷影响的修正方法
9.3特征尺寸方法
9.3.1特征尺寸方法研究进展
9.3.2经典特征曲线方法
9.3.3特征曲线方法的修正研究
9.4渐进损伤方法
9.4.1复合材料机械连接中渐进损伤方法研究现状
9.4.2渐进损伤方法四要素
9.4.3渐进损伤方法预测流程
参考文献
第10章典型机械连接分析方法应用实例
10.1典型螺栓连接静强度试验
10.1.1试验件
10.1.2试验过程
10.1.3静强度试验结果
10.2钉载分配计算
10.2.1直接刚度法计算钉载分配
10.2.2有限元法计算钉载分配
10.2.3直接刚度法与有限元法计算结果的比较
10.3螺栓连接的应力分析
10.3.1解析法计算孔边应力分布
10.3.2有限元法计算孔边应力分布
10.3.3孔边应力分布曲线
10.3.4紧固件对孔边应力的影响研究
10.4基于强度包线方法的强度预测
10.4.1经典强度包线方法
10.4.2钉载均布修正方法
10.4.3应力集中减缓因子修正方法
10.4.4基于旁路载荷影响修正方法
10.5基于特征尺寸方法的强度预测
10.5.1经典特征曲线方法
10.5.2基于关键层的特征曲线方法
10.5.3三参数特征曲线方法
10.6基于渐进损伤方法的强度预测
10.6.1复合材料开孔板的渐进损伤分析
10.6.2单钉连接渐进损伤分析
10.6.3多钉连接渐进损伤分析
参考文献
第三篇先进复合材料胶接连接分析方法
第11章复合材料胶接连接概论
11.1胶接连接的特点、基本形式及典型失效模式
11.2胶接连接分析方法研究现状
11.2.1国外相关研究计划
11.2.2平面胶接连接
11.2.3非平面胶接连接
参考文献
第12章胶接连接应力分析方法
12.1理论分析方法
12.1.1复合材料单搭接胶接接头应力分析方法
12.1.2复合材料双搭接胶接接头应力分析方法
12.2有限元分析方法
参考文献
第13章胶接连接静强度预测方法
13.1概述
13.2基于弹塑性力学的传统强度预测方法
13.2.1应力/应变极值方法
13.2.2等效应力方法
13.2.3胶层的失效准则
13.3基于损伤力学的方法
13.3.1传统的损伤力学分析方法
13.3.2损伤区域理论
13.3.3渐进损伤方法
13.4基于断裂力学的方法
13.4.1弹塑性的断裂力学预测方法
13.4.2虚拟裂纹闭合技术
13.5基于损伤断裂力学的方法
13.5.1内聚力模型
13.5.2内聚力模型的分层萌生及分层扩展准则
13.5.3基于双线性本构的内聚力模型基本参数
参考文献
第14章典型胶接连接分析方法应用实例
14.1典型复合材料π胶接接头静强度试验
14.1.1试验件
14.1.2拉伸试验
14.1.3弯曲试验
14.2拉伸载荷下复合材料π胶接接头的渐进损伤模型研究
14.2.1复合材料π胶接接头渐进损伤模型
14.2.2复合材料π胶接接头强度预测
14.2.3修正最大应力准则的验证研究
14.3拉伸载荷下复合材料π胶接接头的失效机理及承载/传载特性
14.3.1失效机理及破坏过程
14.3.2应力分布及传载路径
14.4弯曲载荷下复合材料π胶接接头的失效
14.5典型复合材料π胶接接头结构参数影响
14.6基于内聚力模型的分层扩展模拟
14.6.1典型分层扩展试验
14.6.2内聚力模型的参数模型
14.6.3分层扩展模拟及参数模型验证
参考文献
附录A各向同性材料孔边弹性应力集中系数
A.1各向同性材料受载孔挤压弹性应力集中系数
A.2各向同性材料开孔拉伸弹性应力集中系数
参考文献
附录B紧固件强度校核
B.1螺栓抗拉强度校核
B.2螺栓抗剪强度校核
B.3螺栓挤压强度校核
B.4拉剪同时作用下螺栓强度校核
B.5螺纹强度校核
参考文献

前言/序言

　　先进复合材料具有优异的性能（高比强度、高比模量和优异的综合性能）、性能可设计性（可根据构件的应力流向和大小进行剪裁设计）、材料与构件一体性（材料与构件同时成型，提高构件的整体性）等特点，已成为航空航天器及其他装备结构的基本材料。实际结构常常需要将两个或两个以上的先进复合材料结构元件连接起来，并保证连接部位能够承受和传递一定的载荷。值得注意的是，连接是结构中的关键环节, 其承载能力直接影响复合材料结构的完整性和安全性, 而由于结构减重的需要, 任何对其不够正确详尽的设计分析或验证, 往往会使其成为结构中的薄弱环节。因此，先进复合材料连接一直是轻质、高效、低成本复合材料结构关键技术的重中之重。
　　现有复合材料连接结构的设计分析方法主要是在20世纪70—80年代基础上，基于试验数据建立起来的，而对试验数据的依赖，使得连接结构的设计周期长、成本高。复合材料的性能分散性和环境依赖性也使连接结构的设计和分析问题变得相当复杂，因而其设计准则和分析方法也比较保守。在过去的30年里，随着先进的试验测试技术和数值分析方法的发展，美国AIM(Accelerated Insertion of Materials)计划以及欧盟的BOJCAS(Bolted Joints in Composite Aircraft Structures)计划，均以过去的试验为主向以分析为主的设计方法转变。这就需要高效可靠的设计理论和分析方法，实现高可信度的设计和分析。
　　《先进复合材料连接结构分析方法》这本书即将问世。本书作者在先进复合材料连接结构方面作了多年研究工作并作出了突出贡献。本书总结了作者近些年在复合材料结构分析领域内的最新研究成果，深入系统地介绍了先进复合材料结构分析的基础理论、典型复合材料机械连接分析方法和典型胶接连接的分析方法。本书既涵盖了传统的经验方法，又创新性地发展了先进有限元分析技术，完善了机械连接的工程算法，并吸纳了近年来复合材料结构分析的一些新理论，如渐进损伤方法、内聚力模型方法等。书中首次对非平面胶接连接的分析方法进行了系统阐述。同时，对于机械连接和胶接连接，分别提供了大量工程实例，对各种分析方法进行验证和对比。在传统的强度和刚度分析的基础上，本书还描述了先进复合材料连接结构复杂的损伤演化过程和失效行为，以及关键因素对连接结构力学特性的影响规律，不仅对复合材料结构技术具有促进作用，而且对复合材料连接结构的工程应用具有重要的指导意义。本书的出版，有利于推广先进科学的设计理念和分析方法，对于推动先进复合材料连接结构技术的发展，进而促进和带动复合材料的科学应用发挥重要作用，特为之序。
　　应用先进复合材料可显著降低飞机结构的重量，提高飞机的性能，这对现代飞机具有特殊重要的意义。50多年来复合材料及结构技术的发展，已给飞机结构设计带来了革命性的飞跃，有力地推动了航空航天事业的进一步发展。目前世界先进飞机结构已经出现了复合材料化的趋势，先进复合材料在飞机结构上应用的部位和用量已成为衡量飞机结构先进性和民机技术与市场竞争力的重要指标之一。
　　复合材料结构部件通常需由不同构件连接而成，如何将两个或两个以上的结构件有效连接为一体是制约飞机上进一步应用复合材料的瓶颈问题。近几年的研究工作和工程实践表明，飞机结构中的复合材料出现了很多问题，尤其在连接结构部位，制造缺陷、意外损伤以及损伤的无规则扩展十分严重。先进复合材料连接结构已经成为飞机机体结构大面积采用复合材料的重点和难点，是美欧一系列轻质、高效、低成本复合材料和整体化机体结构计划的重中之重。先进复合材料连接结构是复合材料整体结构中的薄弱环节，其强度直接影响复合材料结构的承载能力。结合理论、数值模拟和试验测试技术，深入理解复合材料连接结构的失效机理，准确地评价复合材料连接结构在外载荷作用下的力学性能，有效地预测先进复合材料连接结构的强度，理解各种关键因素对复合材料连接结构力学特性的影响规律，对于工程实践中复合材料连接的应用具有重要的意义。本书全面介绍了复合材料机械连接和胶接连接结构的强度分析方法，并给出大量得到试验验证的应用实例，可作为工程技术人员进行复合材料结构设计和分析的参考书，也可以作为相关专业研究生的教科书。
　　全书共分为三篇。第一篇为先进复合材料结构分析基础，包括1～5章：第1章介绍了复合材料的基本概念及性能特点；第2～3章阐述了单层板和层压板的弹性力学基础知识，这是复合材料结构分析重要的理论基础；第4章介绍了强度的概念和典型的失效准则，这一章对于理解复合材料的结构强度尤为重要；第5章概述了复合材料结构有限元分析的基本单元和软件功能，着重阐述了有限元分析中材料参数的设置方法以及计算结果的综合显示方法。
　　第二篇为先进复合材料机械连接分析方法，包括6～10章：第6章介绍了机械连接相关基础知识和欧盟BOJCAS计划情况；第7章针对机械连接的钉载分配问题，详细介绍了钉载分配的直接刚度法和采用有限元计算钉载分配的技术；第8章主要对螺栓连接的解析方法进行了总结，并简要说明了应力分析的有限元方法；第9章详细阐述了机械连接的强度预测方法，主要有工程常用的强度包线方法、特征尺寸方法和20世纪末以来广为流行的渐进损伤方法，这部分内容篇幅较大，囊括了多种方法的改进措施；第10章为典型机械连接分析方法应用实例，这一章中，首先介绍了一系列机械连接的强度试验内容，然后分别采用第7章涉及到的钉载分配分析方法、第8章的应力分析方法和第9章的多种强度预测方法分别对典型机械连接试验件的钉载分配、应力分布和静强度进行计算，通过计算结果与试验结果的比较分析各种分析方法的适用性。
　　第三篇为先进复合材料胶接连接分析方法，包括11～14章：第11章介绍了胶接连接的基础知识和胶接连接分析方法的研究现状；第12章总结了胶接连接的理论应力分析方法，并简单介绍了有限元方法；第13章分别阐述了基于弹塑性力学的胶接连接强度预测方法、基于损伤力学的强度预测方法、基于断裂力学的强度预测方法以及基于损伤断裂力学的强度预测方法；第14章为典型胶接连接分析方法应用实例，主要针对非平面π胶接连接结构，首先介绍了静力试验内容，然后阐述了拉伸载荷作用下非平面π胶接连接的渐进损伤模型、失效机理和承载/传载特性、弯曲载荷下非平面π胶接连接的失效和结构参数影响规律。考虑分层是胶接连接的主要失效模式，本章还研究了典型分层扩展试验和基于内聚力模型的分层扩展数值模拟方法。
　　各章节后面给出了相关综述和研究涉及到的参考文献。附录中给出了各向同性材料孔边弹性应力集中系数和紧固件强度校核方法，以便于读者查询。
　　本书的研究工作获得国家自然科学基金项目“整体化复合材料结构π胶接接头的破坏理论研究和结构设计（10902004）”和“先进复合材料连接渐进失效机理及大型飞机典型连接结构强度预测理论研究（11372020）”的资助。北京航空航天大学宇航学院以及北京航空航天大学出版社对本书的出版给予了大力支持。北京航空航天大学的张建宇和陈玉丽老师、博士后付月以及博士生刘丰睿、秦田亮、龚愉为本书内容的校核作了大量工作，硕士生周龙伟、王雅娜、支杰、齐德轩、林文娟、山美娟完成了本书录入、排版、绘图等大量工作。在本书即将出版之际，作者向他们表示衷心的感谢！
　　在撰写过程中，我们力求阐述全面、系统、准确，论述简洁，但由于本书涉及面颇广，内容含有较多的国际前沿研究进展和我们的研究成果，加上时间和作者水平有限，本书难免存在不足之处，至诚地希望读者和专家批评、指正。
　　作者2014年5月

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