補(bǔ)片形狀對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接修理效果的影響

李小雷

摘要：以圓孔型損傷為例，采用三維有限元模型分析了復(fù)合材料膠接修理時(shí)補(bǔ)片形狀對(duì)其承載能力的影響。結(jié)果表明，在膠層面積、補(bǔ)片材料和修理工藝等參數(shù)不變的前提下，圓形補(bǔ)片比矩形補(bǔ)片能顯著提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接修理的承載能力；對(duì)于相同的矩形補(bǔ)片，當(dāng)其長(zhǎng)邊平行于外力方向時(shí)更有利提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接修理的承載能力。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)片形狀；復(fù)合材料；有限元法；膠接修理

中圖分類(lèi)號(hào)：TG494 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2014）08-0049-03

1 前言

膠接修理是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中最常見(jiàn)的修理方式之一，其基本的修理方法可以分為貼補(bǔ)和挖補(bǔ)2種[1，2]。與挖補(bǔ)修理相比，貼補(bǔ)修理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、對(duì)原結(jié)構(gòu)打磨少等優(yōu)點(diǎn)，所以在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)急修理中應(yīng)用較多。當(dāng)采用貼補(bǔ)方法修理受損的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)，補(bǔ)片形狀的選取是修理方案設(shè)計(jì)中要考慮的問(wèn)題之一。對(duì)于圓孔型損傷，補(bǔ)片通常被加工成圓形或矩形。在膠層面積相同的情況下，補(bǔ)片形狀的變化對(duì)復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)承載能力的影響研究很少[3，4]。本文以圓孔型損傷為例，分析補(bǔ)片形狀的變化對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料膠接修理承載能力的影響，最后對(duì)補(bǔ)片形狀的選擇提出參考意見(jiàn)，為合理設(shè)計(jì)復(fù)合材料貼補(bǔ)修理方案提供依據(jù)。

2 有限元模型的建立

2.1 圓形補(bǔ)片的情況

選用T300/QY8911碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為層合板母板，其尺寸為300 mm（沿外力方向）×160 mm×2.4 mm；每鋪層厚度為0.12 mm，鋪層順序?yàn)閇±45/0/90/±45/0/90/±45]s；圓孔型損傷位于板中央，其直徑為40 mm。補(bǔ)片材料同母板，補(bǔ)片直徑為100 mm，厚度同母板厚度。膠層材料為FM73M，E=2.80 GPa，ν=0.38，G=1.06 GPa，剪切強(qiáng)度S=34.1 MPa，剝離強(qiáng)度T=5.0 MPa，膠層厚度為1.5 mm。

為提高計(jì)算效率，利用對(duì)稱(chēng)性建立幾何模型，采用ANSYS提供的8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元Solid46模擬T300/QY8911復(fù)合材料，采用各向同性體元Solid Brick 45來(lái)劃分膠層，其網(wǎng)格劃分后如圖1所示。在復(fù)合材料層合板對(duì)稱(chēng)面的節(jié)點(diǎn)上施加面對(duì)稱(chēng)約束條件，在一端面施加拉伸均布載荷。

2.2 矩形補(bǔ)片的情況

除矩形補(bǔ)片的尺寸與圓形補(bǔ)片不同外，其他參數(shù)均與圓形補(bǔ)片修補(bǔ)的情況相同。在膠層面積相同的情況下，矩形補(bǔ)片的尺寸為100 mm×78.5 mm×2.4 mm，其長(zhǎng)度同圓形補(bǔ)片直徑。其1/4模型的有限元模型如圖2所示，其中圖2（a）是矩形補(bǔ)片長(zhǎng)邊與外力方向垂直的情況（情況1），圖2（b）是矩形補(bǔ)片長(zhǎng)邊與外力方向平行的情況（情況2）。

3 計(jì)算結(jié)果和分析

由于所有復(fù)合材料層合板膠接修理結(jié)構(gòu)均由母板、補(bǔ)片和膠層組成，因此，膠接修理的失效模式可以分為：母板失效、補(bǔ)片失效和膠層失效。又因母板和補(bǔ)片均為復(fù)合材料層合板，所以，評(píng)定飛機(jī)復(fù)合材料膠接修理是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求時(shí)，需同時(shí)考慮膠接體失效和膠層失效。復(fù)合材料膠接體采用Hashin失效準(zhǔn)則，而膠層采用最大剪切應(yīng)力失效準(zhǔn)則，得出飛機(jī)復(fù)合材料膠接修理后的承載能力。

3.1 膠層剪應(yīng)力對(duì)比分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，膠層失效是引起復(fù)合材料貼補(bǔ)修理最終破壞的原因，因此，重點(diǎn)研究其他參數(shù)不變的前提下不同補(bǔ)片形狀對(duì)膠層剪切應(yīng)力的影響。圖3和圖4分別是圓形補(bǔ)片模型和矩形補(bǔ)片模型下所對(duì)應(yīng)的膠層剪切應(yīng)力圖。

由圖3和圖4可知，不管是圓形補(bǔ)片還是矩形補(bǔ)片模型，其膠層剪切應(yīng)力絕對(duì)值的最大值都是在膠層內(nèi)側(cè)區(qū)且與外力平行的孔2端處；相對(duì)于矩形補(bǔ)片的情況，圓形補(bǔ)片對(duì)應(yīng)的膠層剪切應(yīng)力分布更均勻；對(duì)于相同的矩形補(bǔ)片，其布置位置不同，膠層剪切應(yīng)力也不同（如圖4所示）。

3.2 修理結(jié)構(gòu)承載能力對(duì)比分析

在其他條件不變的基礎(chǔ)上，討論補(bǔ)片形狀變化對(duì)復(fù)合材料膠接修理后承載能力的影響。補(bǔ)片形狀分別取圓形補(bǔ)片和矩形補(bǔ)片進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可知，在膠層面積相同的情況下，圓形補(bǔ)片時(shí)承載能力最好，矩形補(bǔ)片且長(zhǎng)邊平行于外力方向時(shí)承載能力次之，矩形補(bǔ)片且長(zhǎng)邊垂直于外力方向時(shí)承載能力最差。由于長(zhǎng)方形補(bǔ)片加工比圓形補(bǔ)片方便，所以，實(shí)際修補(bǔ)中被經(jīng)常用到。如果采用矩形補(bǔ)片修補(bǔ)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，建議將矩形長(zhǎng)邊平行于外力方向，這樣可以提高結(jié)構(gòu)承載能力。

4 結(jié)論

通過(guò)三維有限元法分析了補(bǔ)片形狀對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接修理的影響。結(jié)果表明，膠接內(nèi)邊緣區(qū)域是膠層中的最大剪應(yīng)力區(qū)；在其他條件不變的情況下，圓形補(bǔ)片修理后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載能力最好，長(zhǎng)邊平行于外力方向的矩形補(bǔ)片次之，長(zhǎng)邊垂直于外力方向的矩形補(bǔ)片最差。

參考文獻(xiàn)

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