含中心裂纹的复合材料单面胶接修补结构胶层应力解析模型

针对含中心贯穿裂纹的复合材料平板的单面胶接修补结构,结合复合材料的经典层合板理论,提出了一种预测该修补结构中胶层应力分布的方法,推导出胶接界面应力分布的解析模型的显式解。将解析解与有限元解进行对比,验证解析模型的有效性。该方法为复合材料单面胶接复合材料结构的修补设计提供了理论基础。

含中心裂纹铝合金厚板复合材料补片胶接结构应力强度因子有限元分析

含裂纹铝合金板经复合材料补片胶接修复后,裂纹尖端的应力强度因子(Stress Intensity Factor,简称SIF)是关注的重点。基于有限元软件ABAQUS,建立了含中心裂纹铝合金厚板复合材料补片胶接修复件的分析模型。计算了裂纹尖端的SIF,与Rose解析模型进行了对比验证,得到裂纹尖端SIF在板厚方向上的变化,以及补片在厚度方向上修补效果的变化,对比了不同修复方式的修复效果。结果表明,裂纹尖端SIF的有限元解偏保守,被修补板厚较大时,裂纹尖端SIF值在板厚方向上的差异更加显著,双面修复方式的修复效果明显优于单面修复方式。

复合材料修理参数对胶接层剪切应力影响规律的研究

复合材料胶接修理结构中,胶层起着传递载荷的作用,其应力状态对于修理效果有重要影响。本文中得到了修理结构中胶层的应力分布的解析解,与有限元数值结果吻合较好,表明该解析解合理有效。基于该解析解分析了胶层中的应力分布随修理参数的变化,结果表明:增加补片长度和厚度可以降低胶层中的剪应力,但是两者都有临界值,超过临界值后剪应力降低的趋势减缓;胶层中的剪应力随着胶层的厚度增加而减小,随着剪切模量的增加而增大。

基于TOM理论的金属裂纹板复合材料胶接修补胶层应力分析

针对复合材料胶接修补结构,基于TOM理论,提出了一种改进的Rose L R F胶层剪应力分析方法。该方法考虑了金属母板厚度方向上的剪切应力变化,认为剪应力沿厚度方向呈线性变化,并通过有限元数值方法进行了验证,分析了不同厚度的金属裂纹板组成的修补结构中的胶层剪应力。结果表明,当金属板厚度较薄(板厚与板长之比小于0.1)时,该方法得到的剪应力比Rose L R F给出的结果更接近于有限元解。

热-力载荷下复合材料/金属双面胶接接头界面力学模型

在温度和静拉伸载荷共同作用下,考虑胶层的材料非线性,建立了复合材料/金属双面胶接接头界面的力学分析模型,推导出弹性响应和塑性响应下胶层剪应力的分段表达式,使用胶层最大剪应变失效准则计算出胶层主导破坏的结构极限载荷,并与有限元数值结果进行对比和验证。分析表明,双面胶接接头应力分析理论模型与相关简化假设正确、合理。在此基础上,研究了复合材料/金属双面胶接接头在热-力载荷下的胶层剪应力分布特点、破坏模式和失效机理,为胶接结构的承载能力分析及结构改进设计提供理论依据。

“湿热”老化对复合材料胶补金属结构力学特性的影响

通过玻璃纤维复合材料补片对含穿透双边裂纹的铝合金板进行单面胶接修补,测试修补试件“湿热”(加温浸泡)老化实验前后力学性能,并与未修补试件进行对比,分析老化前后修补结构的破坏模式、失效机理,评估“湿热”老化对修补结构疲劳裂纹扩展寿命和承载能力的影响。结果表明:“湿热”老化降低了复合材料补片削弱疲劳裂纹之间干涉效果的能力,老化试件从裂纹的扩展长度小于未老化试件的;距离补片越近,沿金属板厚度方向疲劳裂纹扩展速率越慢,老化后复合材料补片减缓沿金属板厚度方向疲劳裂纹扩展速率的作用下降;老化严重削弱了修补结构承载能力恢复率和疲劳裂纹扩展寿命,老化试件的承载能力恢复率下降为未老化试件的 45%,疲劳裂纹扩展安全寿命下降为未老化试件的 63.7%;老化降低了胶层与金属之间的粘合力,造成了复合材料补片的提前脱落,胶层的破坏模式由内聚破坏转变为界面破坏。

基于全试验设计方法的含裂纹铝合金板复合材料修补参数优化

建立含穿透裂纹铝合金板复合材料单面胶接修补板条的三维有限元模型,基于位移外推法对裂纹尖端的应力强度因子(SIF)进行求解。使用全试验设计的方法对不同修补参数下修补板条的单向拉伸试验进行仿真模拟,利用二次方程描述并研究了补片长度、补片厚度及胶层弹性模量共同作用时对SIF的影响,确定了以SIF为评价指标时对修补效果影响最大的修补参数,优化了修补设计,并应用优化修补参数进行单向静拉伸试验。结果表明,当三类修补参数共同作用时,补片长度对修补效果影响最大;使用优化修补参数单面修补试验件的破坏强度比未修补板的提高了12.1%,恢复到完好板的90.5%。

复合材料单面修补板裂纹尖端J积分的解析预测模型

考虑附加弯矩的影响,基于单搭接接头理论建立了单面修补含中心穿透裂纹直板解析模型,求解了修补结构基板的最大最小应力,并与有限元结果进行对比验证,研究了补片长度、宽度、厚度和胶层弹性模量对有限元模型裂纹尖端J积分的影响,通过拟合基板应力与有限元模型裂纹尖端J积分的数值关系,得到了求解修补结构裂纹尖端J积分的解析公式,并验证了其在单面修补弯曲板的适用性。通过研究和分析发现,求解的解析模型适用于承受面内载荷、面外载荷以及混合载荷下的平板和弯曲板修补结构。