复合材料胶接修补结构剩余强度分析

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1、复合材料胶接修补结构剩余强度分析郑锡涛张鑫张晔北工业大学航空学院随着复合材料在航空结构中的广泛应用，航空复合材料修补技术也成为研宄热点。通过复合材料单面胶接维修方法，将抛物线型损伤演化规律应用于胶层的损伤分析。对商业有限元软件进行了二次开发并建立了数值模型，研究了补片尺寸与厚度对修补结构压缩强度的影响。对复合材料胶接修补结构试验件进行剩余强度试验，研宄了补片形状、尺寸、厚度等参数对修补后结构压缩剩余强度的影响。数值模拟结果与试验值吻合良好，误差在5%以内。关键词：复合材料;胶接修补;有限元模型;数值模拟;剩余强度;飞行器结构中复合材料的用量己经成为衡量该飞行器设计水平先进程

2、度的重耍指标。但是，由于层合结构复合材料层间性能弱、对冲击敏感等特点，当其出现损伤后，维修方法复杂，维修效果也较难预测m。所以，如何根据飞机结构完整性的要求，评估修补后复合材料的剩余强度并延长结构的使用寿命，已经成为目前航空复合材料结构研宂的热点问题之一。1复合材料胶接修补技术概述复合材料的修补方法可分为机械修补和胶接修补两大类xzi，其中机械修补又分为螺接和铆接两种方法。胶接修补技术按是否使用补片来划分，可以分为无补片修理方式与补片式修理方式，而补片修理又可分为贴补和挖补两种棊本的修理方法m。其中贴补修理按照在损伤结构的外部粘贴补片以恢复结构的强度、刚度及使用性能来划分，

3、乂可分为预浸贴片与胶黏剂共同固化和将已固化的贴片用胶黏剂粘贴两种。复合材料结构维修方法分类汇总见图1。其中，胶接修补技术的应用范围非常广泛，是复合材料补片增强常见的修理方式以1。它具有操作简单、施工效率较高等特点，适用于损伤较轻和对气动外形要求不严的飞机结构的维修。不同修理方法适用范围不同，在选择修理方法时需要综合考虑结构承载要求、受载情况、气动外形要求、损伤严重程度、修理技术水平和经济性限制等因素。各种方法也有各自优缺点。图1复合材料结构维修方法分类Fig.1Classificationofcompositematerialsrepairingmethods前期有学者对上

4、述复合材料结构修理方法的优缺点进行了简要对比m。与传统维修方法相比，胶接维修具有独待的优点，即能够由胶剂中的黏料或凝胶物质产生黏附作用，并形成斜接式或阶梯式的黏接面，借助胶剂的黏附作用使材料相互结合，可省去大量的铆钉、螺栓。因此应用较为广泛，适用于外场维修。国内研究者对复合材料挖补维修进行了研究，得到飞机修理结构的最佳挖补角肌本文开展的研宄工作主耍有：(1)为研宄修补对结构强度的恢复情况，对ABAQUS平台进行了二次开发，编写了相关的UMAT用户子程序，并进行数值模拟。确定受损结构未修补时的强度、单面圆形补片修补后的强度、单面矩形补片修补后的强度。以苏中面圆形补片修补的数值

5、模拟为例，研宂了补片尺寸和补片厚度对修补后结构压缩强度的影响。(2)对5组复合材料胶接修补结构试验件进行剩余强度试验，研宄了补片的形状、尺寸、厚度等对修补后结构压缩强度的影响。2复合材料胶结修补结构剩余强度数值模拟复合材料修补结构的关键问题就是如何计算修复后结构的剩余压缩强度以及预测其破坏形式，并为补片的设计提供参考依据。复合材料胶接维修结构的失效机理主要包括了两个部分:复合材料层合板的失效机理和胶层的失效机理。对于胶层部分，木文使用Drucker-Prager£2l破坏准则对胶接失效的内聚破坏形式进行模拟。并II基于Drucker-Prager屈服与破坏准则，将抛物线型损

6、伤演化规律应用于胶层的损伤分析。对复合材料层合板部分，选用宏观失效准则Tsai-Wu强度准则。为研宄修补对结构强度的恢复情况，基于Tsai-Wu强度准则和渐进累积损伤方法，对复合材料层合板结构建立了可用于三维有限元计算的有限元模型，并通过商业有限元软件平台进行了二次开发，编写了相关的UMAT用户子程序，模拟丫含通孔损伤的复合材料层合板、单面閫形补片修补结构、单面矩形补片修补结构的压缩强度。2.1确定受损结构未修补时的强度模拟进行了直径为20mm的含通孔损伤的复合材料层合板的压缩剩余强度数值模拟分析研究，以确定受损结构原本已有的强度。2.2单面圆形补片修补后的强度模拟(1)以

7、补片直径作为变量，分别研究了补片直径为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm和65mm的情况下，一共8种类型的单面圆形补片胶接修补后结构的压缩强度。分析采用全尺寸模型和准静态分析，并采用三维八节点的C3D8单元进行模拟，该单元能有效地模拟在压缩载荷作用下层合板的应力状态。为了提高计算效率，建模时釆用连续壳单元对实体模型进行简化，大大降低了单元数量，提高了运算效率。其中含通孔损伤(通孔直径为20mm)复合材料层合板压缩剩余强度计算模型含有25580个节点，23492个单元。本文中含圆形通