复合材料层合板机械连接修理拉伸性能

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1、2016年2月北京航空航天大学学报February2016第42卷第2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．2http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．CBDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2015．0116复合材料层合板机械连接修理拉伸性能聂恒昌，谭El明，郭霞，关志东4(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：带损伤孔的复合材料层合板拉伸强度会降低约55％，需要对其进行修理以

2、恢复力学性能、满足使用要求。针对带圆形损伤孔的复合材料层合板设计了机械连接修理方案，通过轴向拉伸试验评估其修理效果。根据试验条件建立了有限元模型，分析不同的修理方案对破坏模式、破坏载荷、应力分布、钉载分配等产生的影响。试验及有限元分析(FEA)均表明，修理后的复合材料层合板，其强度恢复率达到55％一60％左右，应力集中部位主要在修理区域最外侧的钉孔旁，最终破坏模式为母板沿修理区域最外侧一排钉孔断裂。使用双面修理、增加螺栓排数、采用金属补片、适当增加补片厚度，可减缓应力集中，改善钉载分配，提高结构强度恢复率。关键词：层合板；机械连接修理；有限元

3、分析(FEA)；破坏模式；强度恢复率；渐进损伤；钉载分配中图分类号：V214．8文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)02—0318．10复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等优异特性⋯，故复合材料层合板被广泛应用于飞机的主要结构中。在飞机的日常使用及维护中，复合材料层合板常受到冲击损伤，要求进行快速修理，并达到一定的剩余强度要求，满足飞机的使用功能旧1。飞机主要结构上复合材料层合板的修理方法分为胶接修理和机械连接修理两大类∽J。文献[4]介绍了目前技术条件下常见的复合材料结构修理工艺。胶接修理通常分为

4、贴补法和挖补法2种，对修理表面和修理设备要求较高；机械连接修理通常是指螺接或铆接修理，即在损伤结构的外部用螺栓或铆钉固定补片，使损伤结构遭到破坏的载荷传递路线得以重新恢复¨J。相对胶接修理而言，机械连接修理对修理表面的要求不高，修理手段简单，更适于外场修理，修理后的结构在使用中不易受到环境的影响¨1。由于机械连接修理需在复合材料结构中开孔，其造成的孔边应力集中导致结构强度下降，因此修理后的结构强度恢复率是值得研究的问题。Dano等¨1采用最大应力破坏准则与Hashin准则结合的方法，建立复合材料层合板机械连接结构渐进损伤分析有限元模型；Zha

5、ng等¨1基于特征长度方法，建立渐进损伤模型，预测复合材料多钉连接结构的失效过程；Yun等∽1提出了复合材料多钉连接结构的强度改进方法，通过采用间隙连接，使多钉连接结构的失效载荷提高；Zhang¨叫使用边界单元计算方法，通过求解边界方程研究复合材料层合板机械连接结构的力学性能。Bohlmann等⋯‘1副研究了在轴向载荷和剪切载荷下的复合材料层合板机械连接修理算法，并通过试验对算法进行验证；Her和Shie0131使用Yamada失效准则与特征曲线法结合对复合材料收稿13期：2015-03-06；录用日期：2015-04-03；网络出版时间：2

6、015-05．2917：12网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150529．1712．003．html$通讯作者：Tel．：010-82338873E-mail：zdguan@buaa．edu．cn；f用格式：聂恒昌，谭日明，郭厦，等．复合材料层合扳机械连接修理拉伸性能ⅣJ．北京航空航天大学学撮，2016，42(2)：318．327．NIEHC，TANRM，GUOx，eta1．Tensileperformancesofmechanicallyfastenedrepairsofcomposi

7、telaminatesfJJ．Jour-nalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42f2)：3J8·327(inChinese)．第2期聂恒昌，等：复合材料层合板机械连接修理拉伸性能319————————————————————————————————————————————————————————————一层合板机械连接修理进行了分析；Kradinov等⋯1CYCOM⑧X850预浸料，铺层为[45／0／一45／采用势能变分法研究了带开孔的复合材料层合板90]。。；补片材

8、料为X850预浸料或钛合金，具体铺螺接修理的有效性；Wang等¨纠通过试验及计算层见表1；加强片采用玻璃纤维；紧固件采用直径分析了复合材料层合板螺接修理中旁路载荷对