复合材料螺接修理层压板剩余强度评估

复合材料结构修理是飞机复合材料结构全寿命周期中不可或缺的重要环节。螺接修理传递载荷大,操作简单,易于外场实施。快速估算螺接修理结构的剩余强度,有助于修理参数优化及修理方案的设计。采用基于子模型法的有限元数值分析方法,快速预估螺接修理层压板结构的承载能力。模型中复合材料层压板和金属补片用壳元模拟,螺栓用梁元模拟,采用多点约束技术模拟螺栓与螺栓孔的接触。在整体模型应力分析的基础上,选择高应力区建立子模型,提出0°层点应力准则判断层压板是否破坏,根据粱元剪力的大小用工程方法评估螺栓的强度。分析表明,分析方法建模简单、计算周期短、分析结果与试验结果误差在5%以内,可以满足工程设计和分析要求。

含通孔损伤复材壁板螺接修理接头拉伸性能试验研究

采用单向拉伸试验,测试了含通孔损伤的复合材料壁板和含通孔损伤的螺接修理接头壁板的单向拉伸强度,评估了含通孔损伤的复合材料壁板的螺接修理接头效果,研究了含通孔损伤对复合材料螺接修理接头的破坏载荷、破坏模式、应力分布的影响。试验结果表明:含通孔损伤的复合材料壁板及其修理板的典型破坏模式均为横向拉伸破坏;与无通孔板相比,含通孔损伤的螺接修理接头拉伸强度恢复率达到44.2%;应变读数表明,补片能够较好地缓解母板损伤孔边缘的受载,从而有效提高结构拉伸强度。

基于弹簧质量模型的复合材料螺接修理载荷传递计算方法

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础上,针对蒙皮和补片等宽的情况,提出了一种复合材料螺接修理结构载荷传递比例计算方法。通过引入载荷按刚度分配的原则对模型进行修正,将模型进一步推广到蒙皮宽度大于补片宽度的情况。然后讨论了模型中不同弹簧刚度的计算方法。给出了采用细观力学方法以及均匀化方法等计算含损伤蒙皮等效刚度的计算方法,推导得到了规则排列多列螺栓连接中各排螺栓等效刚度的计算方法,并证明该刚度满足叠加原理。最后,以含圆形损伤孔的复合材料蒙皮板的螺接修理问题为例,对模型进行了考核,并与有限元法(FEM)预测结果进行了对比。结果表明:模型预测结果与有限元结果吻合较好,预测误差最大为7.7%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料螺接修理的分析设计。

复合材料螺接修理结构参数化建模分析工具开发及验证

螺接修理在复合材料结构的临时性修理,尤其是战伤修理中应用较广泛。然而其修理设计过程较复杂,建模分析难度较大,难以满足工程快速定参的需要。本文针对含穿透损伤复合材料层合板的螺接修理问题,采用VB.NET结合p型有限元技术,开发了一套参数化的建模分析工具。分析工具通过界面读取修理结构的几何参数、螺栓布局、螺栓大小、载荷、材料属性等参数,自动创建有限元模型并进行求解。根据求解结果,分析工具可为用户提供修理结构的螺栓载荷、钉载比例、危险孔孔边应力等。另外,通过引入有限断裂力学,结合两级模型分析技术可预测得到修理结构的失效强度和失效位置。最后,采用典型算例对分析工具的有效性进行了验证。