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.

泡沫夹芯面板非穿透损伤挖补维修有限元分析

建立了SR20飞机含非穿透损伤复合材料泡沫夹芯结构壁板挖补维修的三维有限元模型。分析了有限元模型的收敛性,给出了合理的网格划分密度。对单向拉伸和双拉伸载荷下含非穿透损伤泡沫夹芯结构进行了应力分析,给出了完好结构和维修后结构面板各材料主方向应力分布。基于最大应力准则给出了完好结构和维修后结构的单向拉伸强度和双向拉伸强度。分析结果表明,维修后的结构在单向拉伸状态下,初始损伤为面内剪切失效,应力极值点位于母板上临近维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成30°的位置;双向拉伸状态下,初始损伤为纤维拉伸断裂,应力极值点位于母板上维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成45°的位置。在理想修复状态下,单向拉伸时的强度恢复系数为85.8%,双向拉伸时强度恢复系数为96.7%。维修区域材料不连续,导致应力集中,使结构维修后强度下降。维修后强度随表面贴补铺层数增加而降低,原因为贴补铺层增大了局部刚度,使维修区域应力水平升高。

斜面挖补修理复合材料的有限元分析

利用有限元软件ANSYS建立了复合材料层合板斜挖补修理的三维有限元模型,分析了不同挖补角对胶层剪应力和修补结构承载能力的影响。计算结果表明,在其他参数不变的前提下,合理选择挖补角可提高复合材料修理结构的承载能力,对更有效实施复合材料结构斜挖补修理方案设计具有一定的指导意义。

复合材料挖补修理结构的有限元建模及精度影响分析

基于Patran/Nastran有限元软件对复合材料层板的挖补修理结构进行建模计算,分析结构中的应力分布情况,并在有限元建模方法方面进行了一些探讨。得到一些重要结论:在补片和母板的胶接尖端部位应力集中最大,会最先发生破坏;胶层中的应力主要沿周向变化,沿径向变化不明显,且在单向载荷作用下沿外载荷作用线方向应力水平最高。层板上距离胶接修补局部大于3倍损伤孔半径的区域,应力水平几乎不受修补区域的影响;第三,选取分析模型的尺寸是损伤孔半径的10倍左右时,可以不计尺度效应对计算结果的影响;对铺层较多的层板,可以采用沿厚度方向取数层作为一个单元的方法进行模拟,而少于20个铺层的薄板,可以每个铺层建立一个单元进行划分,能够保证足够的计算精度,且计算效率较高。

GFRP层压板挖补修理后的吸湿行为

对采用不同台阶比率挖补修理的玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板进行了吸湿实验,获得了各种台阶比率试样的吸湿规律以及损伤行为。通过面内剪切强度测试以及形貌观察,研究分析了导致吸湿试件强度降低以及层间开裂的主要因素。实验发现:玻璃纤维增强树脂基复合材料的孔隙率是影响层合板吸湿率和层间开裂的重要影响因素,孔隙率越高,吸湿率越高,但层间开裂倾向却降低;台阶比率对长时间吸湿试件的强度保持率有较大的影响,恰当选择台阶比率不但有助于提高强度恢复率,还可减小因吸湿而产生的强度降低幅度;吸湿会导致玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板的面内剪切强度大幅度下降,导致这种结果主要原因之一是吸湿会严重劣化纤维/树脂界面粘结状态。

含穿透损伤泡沫夹层结构的修补及拉伸性能

建立了复合材料泡沫夹层结构含穿透损伤挖补维修的三维有限元模型,对其在单、双向拉伸载荷作用下进行了有限元分析,根据各铺层的材料主方向的应力分布,采用最大应力强度准则计算了挖补维修前后结构的单、双向拉伸强度。结果表明:单向拉伸载荷状态下,维修后结构强度恢复系数为88.1%,初始损伤为面内剪切失效;双向拉伸载荷状态下,维修后结构强度恢复系数为97.6%,初始损伤为纤维拉伸断裂。最佳表面额外贴补层数量为1至2层,过多贴补层会导致局部应力集中,使维修后结构强度下降。

树脂基复合材料挖补修复工艺及性能研究

研究挖补树脂基复合材料的修补参数对弯曲强度恢复值的影响规律,确定了优化的修补工艺参数。通过有限元分析模型模拟获得的挖补优化工艺参数与修补工艺研究试验的结果相吻合,对工程实际应用具有很好的指导意义。

层压板胶接挖补修理应用研究

随着先进复合材料在民用飞机上的大量应用,对复合材料结构件的修理技术研究显得尤为重要。胶接挖补修理是一种成熟的层压板永久性修理方法,其中胶接斜面挖补修理工艺简便,在民用飞机中应用广泛,可用于修理损伤范围小于15%零件表面积的分层、脱粘、多余孔等缺陷。工程上一般采用静强度计算方法对修理后零件的强度性能进行评估。在对复合材料层压板零件进行胶接斜面挖补修理及强度计算分析后,结果表明修理及其静强度评估方法的工程应用可行。

复合材料层合板修理结构湿热环境的弯曲性能

为研究民用航空器结构用复合材料修理结构在应对环境变化时,弯曲性能的演变规律及机理,利用电子万能材料试验机、扫描电镜、激光共聚焦显微镜等设备系统,研究了经不同胶接挖补维修方案修理前后的纤维增强苯并噁嗪复合材料层板结构在干态/吸湿环境条件下的弯曲性能演变及失效机理。结果表明:本体修理材料/热压罐固化方式、本体修理材料/热补仪固化方式、非本体修理材料/热压罐固化方式、非本体修理材料/热补仪固化方式工艺修理试板的弯曲强度在室温下可恢复至完好试样的99%、95%、97%、87%;相同修理工艺条件下,经过湿热处理后试样的弯曲性能恢复率分别降至65%、56%、60%、34%。弯曲断口分析,完好试样的失效形式为纤维受拉断裂,修理试样的失效形式为纤维受拉断裂及脱粘拔出。采用本体修理材料/热压罐固化方式修理试样的纤维/树脂界面结合最佳。

铺层顺序及补片偏转对挖补修理层合板低速冲击性能的影响

根据试验研究的结果建立了挖补修理后碳纤维复合材料层合板低速冲击性能分析有限元模型,并对低速冲击响应及挖补板的冲击损伤进行了分析,理论计算与试验结果吻合良好。在此基础上,就母板与补片铺层顺序以及补片偏转对挖补板低速冲击性能的影响进行了研究,结果表明:补片铺层顺序的改变对冲击载荷响应的影响很小,但对表面及内部分层损伤面积和形状的影响却较大;补片偏转5°时,最大冲击载荷提前出现并且显著降低,分层损伤面积变化不大,分层损伤区域长轴方向向着补片偏转方向偏转。

双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素

基于试验和有限元数值方法对双斜接修补碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料层合板在拉伸载荷作用下的力学行为开展研究。通过试验分析了两种不同厚度的双斜接修补复合材料结构的承载能力和失效形式。结果表明,对于不同厚度的双斜接修补复合材料结构,失效强度接近,主要破坏形式均以胶层内聚破坏为主,伴随局部的90°基体开裂。利用连续介质损伤力学模型和内聚力模型分别对复合材料和胶层失效进行描述,通过数值方法开展双斜接修补结构的强度预测和损伤演化分析。数值结果与试验吻合较好,并且指出复合材料基体开裂起始早于胶层失效。通过有限元模型讨论了附加层、双斜接内部尖端所处位置和修补胶层参数对修补性能的影响。