复合材料胶接修补结构有限元分析方法研究

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1、总第189期2016年第3期直升机技术HELICOPTERTECHNIQUEGeneralSerialNo．189No．32016文章编号：1673．1220(2016)03-032-04复合材料胶接修补结构有限元分析方法研究韩允1’2，刘元海3，肖晓晖1(1．武汉大学，湖北武汉430080；2．海装武汉局，湖北武汉430080；3．中国特种飞行器研究所，湖北荆门448035)摘要以铝合金裂纹板和T300／E51复合材料单边胶接修补裂纹板静力试验结果为基础，建立了适合模拟J一150胶层的“双板一弹簧元”有限元分析模型，并用于其

2、它多种复合材料胶接修补设计方案的静强度评估分析，能够很好地再现试验结果。该有限元分析方法的提出可用于指导金属损伤结构复合材料快速修补方案的优化设计。关键词复合材料；胶接修补；有限元；双板一弹簧元；破坏强度中图分类号：v267+．46文献标识码：AFiniteElementAnalysisoftheStructureBondedwithCompositePatchesHANYunl”，LIUYuanhai3，XlAOXiaohuil(1．WuhanUniversity，Wuhan430080，China；2．WuhanMilit

3、aryRepresentativeBureauofNavyEquipmentDepartment，Wuhan430080，China；3．Institute605thofAviationInstrumentofChina，Jingmen448035，China)AbstractJ一150“double—plate—string—element“finiteelementanalysismodelwasestab．1ishedonthebasisofsmiletestresultsfromaluminumalloycracked

4、plateand7r300／E51compositebondedcrackedplate．％emodelWasalsousedtoassessandanalyzesmilestrengthofmanyothercompositepatchrepairedstrategieswithagoodreproducibility，whichCanbeusedtooptimizethedesignofdamagedmetalstructurefastrepairbybondedcompositepatches．Keywordscompo

5、sitematerial；bondedrepair；FiniteElement；double—-plate——string—-element；breakingstrength．0引言理论分析是金属损伤结构复合材料胶接修补件设计的主要手段。通过理论分析、数值计算，可以用较小的费用，获得修补设计的强度分析结果，节省时间，保证进度。近年来，随着计算机计算速度的不断提高和计算规模的不断扩大，有限元分析方法的应用范围越来越广，有限元方法对修理结构件的形状和补片的铺层没有限制，且计算精度较高，已成为复合材料胶接修补结构强度计算的首选方法¨

6、“J。金属损伤复合材料修补结构件的有限元求解的难点是必须借助试验数据确定模型相关参数。因收稿日期：2016—06—02作者筒介：韩允(1982一)，男，工程师，武汉大学机械工程专业硕士在读，研究方向：机械设计及理论。2016年第3期韩允，刘元海，肖晓晖：复合材料胶接修补结构有限元分析方法研究‘33·此，本文以铝合金裂纹板和T300／E51复合材料单边胶接修补裂纹板静力试验真实数据为基础，建立“双板一弹簧元”有限元计算模型，同时应用该模型对多种复合材料补片胶接修补结构静强度进行了评估分析，验证了模型的正确性。1有限元分析模型1．

7、1基本计算假设通常情况下，对于平面薄板上的穿透型裂纹问题，采用二维分析模型就可以获得较高的计算精度，并可减少计算时间和计算费用。因此，在本文的分析计算中，含裂纹金属母板和复合材料补片均采用平面有限元分析单元。为了便于分析计算，根据胶接修补结构的实际情况，作如下基本假设：1)金属裂纹板和复合材料补片的厚度与各自的面内尺寸相比很小，均处于平面应力状态，且限制在线弹性变形范围内；2)胶层为各向同性材料，且只考虑其剪切变形；3)初始胶接质量完好，没有任何形式的损伤；4)在单面胶接修补中，不考虑因结构不对称而引起的弯曲变形。1．2几何参

8、数根据中心裂纹试样的几何尺寸(如图1)建立二维有限元计算模型，使用的承载试样为LYl2CZ铝合金板，板长260mm，宽70mm，中间段宽60mm，厚度为2．8mm。粘胶为J一150胶，厚0．1mm。补片材料为T300／E51层合板，单层厚度为0．14mm。敷』～、珐。珊图1计