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。

挖补修理平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进失效机理

针对单侧面板挖补、单侧面板加芯子挖补、双侧面板加芯子挖补3种修理方式,采用一维阶梯挖补模型代替三维模型研究挖补修理平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进失效机理。建立能够模拟蜂窝壁损伤演化的有限元模型,利用内聚力模型模拟胶层损伤。试验和仿真结果表明,完好件和各种挖补方式试验件的破坏模式均为向非修补面板内凹的屈曲变形;各种挖补方式的侧压强度恢复率均在75%以上,大小排序为:单侧面板挖补、双侧面板加芯子挖补、单侧面板加芯子挖补;完好件和各种挖补方式试验件均未出现面板损伤,均出现蜂窝壁横向损伤和剪切损伤,且横向损伤均先出现,均在与发生大变形的蜂窝芯格相连的胶层处出现应力集中;蜂窝壁纵向损伤仅出现在单侧面板挖补件上,胶层损伤只出现在双侧面板加芯子挖补件上;芯子蜂窝壁损伤均发生在靠近替芯的母体芯材上。

挖补参数对低能量冲击损伤层合板修理性能的影响研究

为探索层合板低能量冲击损伤挖补修理参数及其对修理性能的影响,采用两种冲击源对T700/DS1202层合板进行了冲击试验,并进行挖补修理,测试修理后的压缩强度。结果表明:无论是何种冲击源,采用阶梯形挖补修理工艺,强度恢复率均可达79.9%以上。但在同等冲击能量等级下,锥形冲击源造成的损伤,修理后强度恢复率较低。同时,单面挖补工艺的强度恢复率更高,修理质量更稳定,压缩破坏形式以基体和纤维的压缩为主;双面挖补工艺易产生应力集中,强度恢复率低,质量稳定性差,压缩破坏形式以分层为主。

干法/湿法挖补修理层合板力学性能的对比研究

挖补修理是一种常用的受损复合材料结构修复方法,主要可分为干法(预固化补片)修理和湿法(湿铺贴)修理。通过开展静力拉伸实验,研究了不同损伤尺寸的预固化补片挖补修理和湿铺贴挖补修理层合板的极限强度、破坏模式以及补片脱粘情况,实验结果表明采用预固化补片修理的结构其强度恢复率更高,补片提前脱粘概率更低,修理效果更好。在力学实验的基础上,通过有限元计算准确预测了挖补修理层合板的极限强度、应力应变分布和损伤演化过程,计算结果表明预固化补片修理结构的胶层应力分布更加均匀,应力水平和应力集中程度更低,出现界面失效和胶层内聚失效的载荷也更高。

基于材料时变参量的挖补修理胶层内剪应力研究

以AS4/3501-6材料的挖补修理为研究背景,基于材料热、力学参数的时变特性,分别为补片和胶层建立了热-力-化学多物理场耦合的有限元模型,研究了不同挖补角度和胶层厚度对胶层残余剪应力的影响,探索了不同挖补修理设计方案下的修理过程中胶层残余剪应力分布。结果表明:挖补角度、胶层厚度的增大均会加剧胶层残余剪应力集中;减小挖补角度,可有效降低胶层残余剪应力及沿胶层径向平均剪应力梯度;3°挖补角度下胶层径向中点残余剪应力比15°下降低17%,径向平均剪应力梯度降低92%;减小胶层厚度,胶层残余剪应力减小但平均剪应力梯度增大,0.3 mm胶层厚度下胶层径向中点残余剪应力比1.5 mm下降低15%,径向平均剪应力梯度升高30%。经验证三维有限元模型及计算方法正确,为改进修理工艺、提高修复质量提供了依据。

挖补修理平纹编织复合材料层合板静态拉伸与拉-拉疲劳试验研究

通过试验研究挖补修理对平纹编织复合材料层合板静态拉伸与拉-拉疲劳性能的影响,疲劳试验应力比R为0.1。结果表明:挖补修理降低了层合板静态拉伸强度、静态拉伸模量、拉-拉疲劳极限和剩余载荷,挖补修理后恢复率分别为64.9%、82.5%、80.7%和76.6%;挖补修理层合板拉-拉疲劳寿命恢复程度随着载荷水平增加而减小;拟合的S-N曲线在有限寿命区具有较高可信度;经过106次循环加载作用后的完好件和修理件的剩余载荷均小于静态拉伸破坏载荷,且循环加载后刚度均变大;所有试验件断口处均出现纤维断裂和基体开裂,完好件断口以纤维断裂为主,且伴有分层损伤,修理件断口补片与胶层之间发生剪切破坏导致补片与母板明显脱黏。

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%。

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。

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。

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。