Effect of Boundary Condition on Impact Response and Damage Meso-mechanism for Scarf Bonded Repair of Load-bearing Composite Structures

Composite scarf repair is applied in airplane load-bearing structures. But the repairs would have different boundary supports in real situation, such as simply support, clamped support and flexible support. With different boundary supports, the bonded scarf repair of composite structures could have diverse damage mechanisms and responses. This work intends to study the impact performance of different boundaries. For this purpose, experimental tests were carried out on the specimens with two sides support and four sides support. The impact load and deflection was monitored during the tests. After impact being finished, the meso-mechanism was studied by means of micro-cracks of the side section for two sides support condition and cross section for the four sides support condition. It was possible to conclude that the four sides boundary possess higher impact resistance maximum loads, lower displacements and lower extent load dropping. In terms of damage modes, as the impact energy relative low 12 J and 16 J, the central position of scarf bonding zone for two sides support appears adhesive cohesive failure and adhesive-composite interface failure. When the energy increases to 20 J, the dominated damage of two sides support moves down to the feathered tip. For four sides support, the critical energy level is 25 J, under which the scarf adhesive begins to be damaged.

挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性及灵敏度分析

以挖补修理复合材料蜂窝夹芯结构为研究对象,考虑胶层性能的不确定性,通过ABAQUS-MATLAB-Python联合仿真,建立挖补修理蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进损伤分析模型,得到随机变量与其所对应的输出响应。基于蒙特卡罗法进行可靠性分析,采用基于方差和失效概率的全局灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析。结果表明:外载荷在不同数值区间下结构失效概率具有较大差异,在接近极限破坏载荷时失效概率显著增加;胶层厚度方向的弹性模量和面内两个相互垂直方向上的剪切模量对挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度方差和失效概率的影响较大。

挖补修理复合材料层合板疲劳性能研究进展

随着纤维增强复合材料结构的应用更加广泛,其结构修理问题日渐凸显。挖补修理在复合材料层合板修理中具有重要地位,而修理后结构的疲劳性能是评价结构修理质量的重要依据,因此对复合材料挖补修理层合板疲劳性能的研究意义重大。文中从模型和试验两方面总结了挖补修理复合材料层合板疲劳性能研究现状,指出了当前挖补修理复合材料层合板疲劳性能研究存在的问题,可为复合材料结构挖补修理研究和工程应用提供参考。

胶粘剂性能对挖补修理层合板拉伸性能的影响

利用非线性三维有限元模型,对挖补修理复合材料层合板的拉伸破坏行为进行研究,计算结果与试验结果吻合良好,证明了所建模型的有效性.在此基础上,分析了挖补修理层合板的拉伸破坏机理,以及胶粘剂力学性能对挖补结构拉伸性能的影响.最终,总结出挖补修理复合材料结构胶粘剂选用原则以及理想胶粘剂的性能特征.研究结果可为复合材料结构可修理性设计,以及挖补类复合材料层合板端面对接用胶粘剂的研制提供参考.

挖补修理对复合材料层合板拉伸性能的影响

挖补修理是一种先进的复合材料层合板损伤修理技术,分为斜接法和阶梯法两种类型。本文研究不同修补结构对斜接法挖补修理试验件力学性能的影响。对斜接法楔形砂磨斜坡比率为1:10、1:20、1:30和1:40的复合材料层合板修理试验件的拉伸性能进行了研究,同时总结了斜接法修理后试件的断裂位置特征。结果表明:斜接法斜坡比率为1:30的挖补修理试件的抗拉强度最好,外加补片会提高试件的抗拉强度,外加补片层数2层为宜。断裂类型主要有脱胶断裂和补片断裂。

复合材料挖补修理技术研究现状与发展趋势

复合材料在航空器上的大量应用导致了对高效可靠的复合材料结构维修技术的迫切需求。针对挖补修理这一先进的复合材料结构修理技术,首先给出了复合材料挖补修理技术体系;分析总结了挖补修理各个关键技术环节的研究现状;最后对挖补修理技术存在的问题及未来的发展方向进行了展望。复合材料挖补修理技术将为设计、制造、运营等航空器全生命周期的各阶段提供技术支持,可有效提高航空器的安全性和降低成本。

挖补复合材料层合板的拉伸和压缩性能研究现状

随着复合材料层合板结构应用的不断扩大,其修理问题也日益凸出。挖补修理在层合板修理中占有举足轻重的地位,而挖补后结构的拉伸和压缩性能恢复是表征修理质量极其重要的指标,因而对挖补复合材料层合板拉伸和压缩性能的研究具有重要意义。文中总结了挖补层合板拉伸和压缩性能的研究现状,对材料、工艺、构型及环境等参数的影响进行了分析,据此给出了挖补修理优选方案,可供复合材料结构挖补修理设计参考。

平面编织混杂铺层层板穿透挖补修理参数分析

基于ABAQUS软件平台建立穿透挖补修理后混杂铺层层板有限元模型,对修理后层板的拉伸强度和破坏模式进行预测.为验证模型的有效性,对无损伤板和修理后层板进行了试验研究,模型计算结果和试验吻合良好.使用计算模型对修理后结构进行参数研究,比较不同挖补斜度、胶层韧性、胶层厚度、损伤尺寸及附加修理层等设计参数对修理后结构拉伸强度的影响,得到的结果可以为含穿透损伤混杂铺层层板修理设计提供理论指导.

复合材料蜂窝夹芯板斜接式挖补修理的稳定性分析研究

基于有限元方法,研究了复合材料蜂窝夹芯板斜接式挖补修理的稳定性问题。利用商用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran和蜂窝夹芯等效方法,建立了蜂窝夹芯板斜接式挖补修理结构稳定性三维有限元分析模型。并通过大量的数值算例,拟合得到了不同挖补角度以及胶层厚度对蜂窝夹芯板斜接式挖补修理结构屈曲特征值的影响规律。

复合材料挖补修理结构的压缩强度分析

基于Patran/Nastran有限元软件对复合材料层板的挖补补强结构进行细节应力分析,引入Tsai-Hill强度准则和最大剪应力破坏判据预报其压缩强度,通过PCL语言实现了挖补结构的参数化建模并讨论主要修补参数的影响规律.结果表明：强度预报结果与试验结果较好吻合,误差小于10%.复合材料层板在单向和多向载荷作用下的最大挖补角度分别为5°和4°;胶层厚度在满足胶接强度的条件下越小越好,宜为0.10-0.15 mm;挖补修理适用于孔径小于70 mm的损伤.

复合材料蜂窝结构渐进损伤评估及挖补修理研究

复合材料蜂窝结构越来越广泛地应用于飞机承力结构件,其受冲击等损伤后的损伤评估与修理方案成为民机复材结构研究中最关切的问题之一。针对复合材料蜂窝结构渐进损伤评估及阶梯式胶接挖补修理问题,基于蜂窝芯子等效模型和C3D8R三维体单元及0厚度三维粘聚力单元COH3D8建立蜂窝结构渐进损伤分析和挖补修理参数研究的三维有限元模型;基于三维Hashin准则、Besant准则和B⁃K准则开发USDFLD程序实现复合材料层合板、蜂窝芯子和胶层的损伤模拟与失效;针对蜂窝结构穿孔损伤仿真研究补片挖补角度、额外层铺层角及厚度等参数对修理后结构强度恢复效果的影响规律。结果表明:补片挖补角度减小带来搭接处胶层内部剪应力升高,补片额外层铺层方向与外载荷夹角增大,以及额外层厚度增加导致搭接边缘出现应力集中而更易提前失稳,都会明显降低蜂窝结构挖补修理后的强度恢复效果。仿真分析结果表明挖补补片选取1层0°铺层的额外层和1∶10的挖补斜率时,蜂窝结构穿孔损伤修理件的强度恢复效果最佳,达到无损件的95.72%。

胶接修理方式对复合材料层合板拉伸性能的影响

针对含圆形穿透损伤的复合材料层合板,分别采用双面贴补和挖补两种方式进行修理,对修补结构进行了拉伸性能测试,同时进行了完好板与含圆形穿透损伤未修理试验件的对比拉伸性能试验。试验结果表明:含圆形穿透损伤未修理试验件的拉伸强度仅为完好试验件拉伸强度的49.27%;采用贴补和挖补两种方式进行修理的结构拉伸强度恢复率能达到100%左右;试验件的破坏模式均为横向断裂,完好试验件的破坏出现在靠近加强片的位置,含圆形穿透损伤未修理试验件的破坏出现在圆形穿透孔所在横截面;50%的贴补修理试验件的破坏位置出现在非修理区,对应的拉伸强度较高,达358.15 MPa,另外有50%的试验件出现在修理区,对应的强度值偏低,仅为293.3 MPa;挖补修理试验件的破坏位置均出现在非修理区,且拉伸强度均较高,达347.1 MPa。试验结果表明,挖补修理复合材料层合板的拉伸强度较贴补修理高6.5%,性能优于贴补修理。

冲击位置对挖补修理层合板冲击后压缩性能的影响

使用过程中的低速冲击损伤对修理后的复合材料结构同样会造成威胁。设计并进行了复合材料挖补修理结构的低速冲击及冲击后压缩试验,测量了试验件的损伤投影面积和剩余压缩强度,分析了不同冲击位置的影响。结果表明,挖补修理层合板冲击后压缩强度比未修补板的低,挖补层合板对低速冲击位置较为敏感。冲击点离开挖补区一定距离后,挖补对层合板的低速冲击及其继后压缩性能的影响消失。

湿热环境对CCF800/环氧挖补板拉压性能的影响

针对挖补修理后飞行器在服役期间会经历高温高湿环境,进行了湿热环境对挖补修理层合板(以下简称挖补板)拉压性能影响的研究。首先,测试了4种湿热环境下CCF800/环氧挖补板的拉伸和压缩性能;然后,建立了相应的湿热应力有限元模型,探索了不同湿热环境下挖补板内的湿热应力分布;最后,在此基础上建立了湿热环境下挖补板的拉伸和压缩力学模型,研究了湿热环境对CCF800/环氧挖补板力学性能的影响。试验结果显示,湿热环境使挖补板的承压能力降低,承拉能力提高,这与常理不符。经试验观察和机理分析,发现CCF800/环氧铺层中纤维弯曲是导致湿热环境下挖补板拉伸性能不降反升的主要原因。在考虑湿热环境时,制备CCF800纤维复合材料过程中需要格外注意纤维弯曲问题。

复合材料挖补修理固化过程残余应力的三维数值模拟

基于热化学和残余应力理论,采用顺序热-力耦合方法建立了复合材料固化过程的三维有限元模型,通过与文献中C形构件计算结果的对比,验证了该仿真模型具有较高的精度。采用该模型计算了AS4/3501复合材料层合板挖补修理固化过程中模量和残余应力的变化历程。结果表明,凝胶点之前,树脂模量和复合材料横向模量很小,而平行于纤维方向存在残余压应力;凝胶点之后,模量均随时间快速增大到一定值,残余应力先逐渐增大到一定值,再随降温过程快速增大。

GFRP层合板挖补修理参数对其拉伸性能的影响

针对民用航空器用玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料（GFRP，glassfiber reinforoe polymer）层合板，典型损伤通常采用挖补方法进行修理。本研究对挖补修理的关键参数——台阶比率、表面粗糙度、固化温度等因素对挖补修理结构拉伸性能的影响规律进行了系统研究。实验结果表明，挖补修理明显改变了GFRP层板结构的力学特性，在6种台阶比率（1：10～1：60）中，随着台阶比率的增加，拉伸强度呈现先增加后减小的趋势，在台阶比率为1：40时，拉伸强度最高，拉伸强度保持率约为51％。在台阶比率为1：40情况下，修理试样拉伸强度随着粘接界面的粗糙度增加而增加；同时，随着修理固化温度的增加，拉伸强度也出现先增加后降低的趋势．250下时修理试样拉伸强度最高。

不同修补工艺下的大厚度树脂基复合材料修补片热应力

建立了大厚度碳纤维复合材料修补片与母板共固化的有限元数学模型和计算方法,并采用已有实验结果验证了数学模型和计算方法的正确性。计算了修补片与母板共固化过程中的温度、固化度及热应力变化过程,研究了挖补斜度、纤维铺层方向、纤维铺层顺序等修补工艺参数对修补片固化过程中不同阶段温度及热应力场分布的影响。研究结果表明,挖补斜度对于升温和保温阶段修补片内的热应力影响较大,对于降温结束后的修补片热应力影响较弱。增大挖补斜度,可减小大厚度修补片升温和保温过程的热应力,也可避免较大的热应力集中。在整个固化过程中,0°铺层角对应的修补片内的残余热应力最小,90°铺层角对应的修补片内的残余热应力最大,且在修补片顶部中心有较强的应力集中。为了减小残余热应力,纤维的排布方向应平行于修补片与母板接触面,即母板的铺层方向。对称铺层的修补片在整个固化过程中的热应力较小,而顺序间隔铺层和反对称铺层的修补片内热应力较大,大厚度树脂基复合材料修补片应采用对称的铺层设计原则。

复合材料层合板斜接式挖补修理稳定性分析

对复合材料层合板挖补修理模型进行了参数化的有限元计算，分析了挖补修理结构失稳栽荷与挖补角、胶层厚度以及铺层方式之间的关系，得到了最优挖补修理模型。结果表明，异种材料补片会显著提高挖补修理结构的稳定性，在一定范围内，减小胶层也会改善挖补修理结构的稳定性。当胶层厚度在0．15～0．25mm变化时，随着胶层厚度减小，挖补修理结构的稳定性增强；当铺层方式为[03／±45／±45／90]。时，挖补修理结构稳定性最强。

复合材料薄板斜接式挖补修理稳定性优化设计

对复合材料层合板挖补修理模型进行了稳定性优化分析。采用ARSM优化算法研究了挖补修理结构失稳载荷与挖补角、胶层厚度以及补片材料与母板材料匹配对挖补修理后复合材料薄板失稳载荷大小的影响,得到了各母板材料对应的稳定性最优挖补修理模型。结果表明,补片材料各方向上的模量匹配非常重要,硼纤维层合板的6个方向上模量搭配最优,硼纤维层合板补片为各个修理方案中的最佳补片材料。当胶层厚度和挖补角参数增大时,失稳载荷逐渐增大,在挖补角与胶层厚度最佳匹配范围内,失稳载荷很快达到最大。在挖补角与胶层厚度脱离最佳匹配范围内后,失稳载荷迅速减小,进一步说明ARSM优化算法可以高效地完成挖补修理结构的稳定性优化分析。

固化工艺参数对复合材料补片温度场的影响

基于热传导定律和固化动力学理论,建立了热固性树脂基复合材料固化过程的三维有限元模型,通过与文献实验结果的比较,验证了该模型具有较高的可靠性。采用该模型计算了AS4/3501层合板挖补修理固化过程的温度场和固化度场,并分析了固化温度及升温速率对补片中心点温度场和固化度场的影响。结果表明:在固化反应的起始阶段,固化温度和升温速率对补片温度和固化度的影响很小;随着固化反应的进行,固化温度和升温速率对补片温度和固化度的影响越来越大;在第二次升温阶段初期,固化温度对补片中心点温度的影响又逐渐缩小;在每次保温阶段末期,补片温度和固化度不再受升温速率的影响。