补片尺寸对胶层应力分布的影响.pdf

18补片尺寸对胶层应力分布的影响2012年11月补片尺寸对胶层应力分布的影响赵培仲，黄旭仁，李艳丽，胡芳友+(海军航空工程学院青岛分院航空机械工程系，山东青岛266041)摘要：粘接修理结构中，胶层起着传递载荷的作用。其应力状态对于粘接修理结构有着重要的影响。为此，本文用有限元法分析了复合材料粘接修理结构中胶层应力分布随补片尺寸的变化。研究表明，增加补片长度和厚度可以提供补片分担栽荷的作用，但是．对胶层的性能要求提高。胶层中大部分区域的应力较低，大部分载荷靠较小面积的胶层传递。修理试样的破坏形式的变化反映了胶层应力分布的变化。关键词：胶层应力；有限元；补片尺寸；复合材料粘接修理中图分类号：TB332；TB301文献标识码：A文章编号：1003—0999(2012)06—0018—05复合材料粘接修理金属损伤结构相对于传统的机械连接修理具有减缓应力集中，提高耐腐蚀和耐疲劳性能，重量增加少，可设计性强等突出优点¨“J。在粘接修理结构中，损伤结构所承受的载荷通过胶层，部分地传递到复合材料补片上，而使结构的承载能力得到恢复。研究表明补片的尺寸对损”伤结构的修复效果有明显的影响。J。增加补片的长度和厚度都有助于提高修理效率，但这种增加是’有限度的旧9J。粘接修理效率的提高主要是通过补片分担更多的结构载荷来体现的，补片所分担的载荷必须通过胶层的传递作用才能实现，因此，胶层起到了重要的纽带作用。胶层本身的性能如果难以承受更高的载荷，那么就会以胶层的破坏而导致修理结构失效。有限元分析在复合材料粘接修理中已经有了成功的应用¨¨12J。本文用有限元分析了补片尺寸变化时，胶层内应力分布的变化情况，并采用光固化制备了实验件，分析了其破坏形式。1实验和有限元分析将1．5mm厚的LYl2铝合金板作裁成140mm×35mm的矩形板，并在中心钻直径8mm的孔作为损伤。复合材料补片由正交平纹玻璃纤维布和环氧树脂湿铺而成，采用光固化的方式完成补片的固化和粘接修理。保持补片的宽度和金属板一致，改变长度和厚度得到不同长度和厚度的试样。保持补片3层厚度，得到长度分布为40，50，60和80mm的试样。保持补片40mm长度，得到补片3，5和7层的试样。测试试样静拉伸性能，用于分析不同补片尺收稿日期：基金项目：作者简介：通讯作者，寸时试样的破坏形式。用ANSYS有限元分析软件，建立复合材料单面粘接修理金属损伤结构的三维有限元分析模型。金属板尺寸长140mm，宽35mm，厚1．5mm，中央有一直径8mm的破孑L，材料弹性模量71Gpa，泊松比0．32，屈服强度385MPa。复合材料补片E。=E：=33GPa，E3=6GPa，G12=3．1GPa，Gl3=G23=1．2GPa，u12=0．2，u13=u23=0．32，宽35mm，厚度为0．75mm时，分析长度40，50，60和80mm时胶层应力分布。长度为40mm时，分析厚度分别为0．75，1．75，2．5和3mm时胶层应力的分布。胶层厚度0．2mm，E=5GPa，泊松比0．35。金属板和胶层采用SOLID45单元，复合材料采用SOLID64单元，材料用双线性模型。考虑到结构的对称性，建立四分之一结构模型，图l为建立的三维有限元模型。图1三维有限兀模型Fig．1Threedimensionalfiniteelementmodel通过定义如图2所示的路径，分析不同补片尺寸时，胶层的应力分布。分析胶层应力分布时，为了区分胶层两个不同的表面，在图中用补片尺寸和+或一分别表示该尺寸时胶层和补片接触的一面以及2011．12．06中国博士后科学基金(20110491882)赵培仲(1978一)，男，博士，工程师，主要从事复合材料及其在飞机结构修理中的应用研究。胡芳友(1960一)，男，博士，教授，主要从事飞机结构修理新技术的研究。FRP／CM2012．No．62012年第6期玻璃钢／复合材料19和损伤结构接触的一面。如40+表示补片长度40mm时胶层和补片接触一面的应力分布。图2应力分析的路径Fig．2Thepathforstressanalysis2结果与讨论2．1长度的影响补片的长度增加，增大了与损伤结构的接触面积，使得损伤结构可以将更多的载荷传递到复合材料补片上，从而恢复结构的承载能力。图3是在相同外加载荷下，结构的最大VonMises应力随补片长度的变化。很明显，随着补片长度的增加应力逐渐下降，表明补片分担了更多的载荷。胶层的VonMi．ses应力随着补片长度的变化也发生了明显的变化。如图4所示，不论胶层与补片还是与损伤结构接触的表面，在胶层的端部，应力都随补片长度的增加而增大，但是，在胶层的大部分区域内，应力都比端部低很多，而且对补片长度的变化不敏感，只有当补片长度增大到80mm时，才有相对较明显的增加。这表明，虽然补片长度增加的同时胶层的长度也随之增加，但是，大部分载荷的传递是通过胶层端部和损伤部位的较小的区域传递的。4050607080PatchLength／ram图3结构最大VonMises应力随补片长度的变化Fig．3CurveofthemaximumVonMisesstressVSlengthofthepatch．50510l5202530354045PositiononthePare／ram(a)下表面(a)LowersurfaceP0s内册onthePath／trim(b)上表面(b)Uppersurface图4胶层VonMises应力随补片长度的变化Fig．4EffectofpatchlengthonYonMisesstressdistributionsofthebondline图5是胶层秽面的剪切应力随补片长度的变化情况。胶层和损伤结构接触的一面与和补片接触的一面，剪切应力的分布在损伤孔处明显不同，这是由于单面修理导致的偏心弯矩造成的。最大剪切应力出现在损伤孔附近，胶层内部的剪切应力则相对较低。随着补片长度的增加，胶层内部剪切应力的波动减小，趋于均匀。损伤孔附近的剪切开始变化不大，当补片增加到80mm时，则明显增大。但是胶层端部的剪切应力则有减小的趋势。．5051015202530354045n∞赫011the融吐n帅(a)下表面(a)Lowersurface霉嘲眵￡激ij；2；Q耋熬碧冁蓐i、●。Vt‘如”加”m5芷=∽自昌垡至g>∽叠至切占甾至G0^∞mm舶椰“邶啦舶舶枷抛以舶m枷m州舢Ed=I-叠ls}×拼瑚粥瑚扔啪m瑚芷至l∞#59—蒿至aLLL补片尺寸对胶层应力分布的影响2012年11月-5051015202530354045Positi硼onthePatt■mm(b)上表面(b)Uppersurface图5胶层叫剪切应力随补片长度的变化Fig．5Effectofpatchlengthonxyshearstressdistributionsofthebondline图6是胶层剥离应力的分布情况。显然，在胶层的端部剥离应力最大，胶层内部则小很多。随着补片长度的增加，端部的剥离应力逐渐增大。由于偏心弯矩的作用，损伤孔处开始表现为压应力，剥离应力是负值，但是当补片长度增加到80mm后，剥离应力变为正值，而且比胶层内部大，也就是说在损伤孔处也容易出现剥离破坏。-505101520253035404SPomionoilthePath／rflffl(a)下表面(a)Lowersurface(b)}二表面(b)Uppersurface图6胶层剥离应力随补片长度的变化Fig．6Effectofpatchlengthonpeelingshearstressdistributionsofthebondline图7是不同补片长度时，试样破坏后的图片。图中泛白的区域是剥离破坏区域。可以看出，在损伤孔附近都存在剥离破坏。但是，图中最左边的，也就是补片为80mm的试样，损伤孔处剥离的面积最大。随着补片长度的减小，补片端部的剥离破坏变得更加明显。图7不同补片长度时试样破坏形式Fig．7Failuremodesofthespecimenswithdifferentpatchlengths2．2厚度的影响厚度的增加使得补片的刚度增大，结果必将吸引更多的载荷到补片上，从而提高损伤部位的承载能力。图8是胶层的VonMises应力随着补片厚度的变化情况。在损伤孔处和胶层端部，应力较高，胶层内部则相对小很多，而且损伤孔处比端部的应力还要高。随着补片厚度的增加，应力有所增加，但是变化不大。说明厚度的变化对胶层VonMises应力的影响不明显。05101520PositionontheP\'／uh／rrgn(a)下表面(a)uppersurface如捕MN∞弛博=2H佗m064：o罡芏l∞M主g>∞已罩；g鼋L2012年第6期玻璃钢／复合材料2105101520Position∞thePad山幡n(b)上表面(b)lowersuffaCe图8胶层VonMises应力随补片厚度的变化Fig．8EffectofpatchthicknessonVonMisesstressdistributionsofthebondline如图9所示，胶层巧面的剪切应力在两个不同面上，分布并不一样。随着补片厚度的增加，胶层内部的剪切应力区域均匀。胶层端部的剪切应力逐渐减小。而在损伤孔处的变化则比较复杂，并非单调变化。在胶层和补片接触的一面，最大剪切应力逐渐减小。在和损伤结构接触的一面，则先减小，后增大。而且减小和增大分别发生在补片厚度最小0．75mm和最大3mm时，前者是损伤结构厚度的l／2后者则是其2倍，这两种情况下，胶层与损伤结构接触的一面的剪切应力分布比较接近。蘸j一・2．2{-24J；i掣-0,撼黧0510520PositionoilthePa““眦(b)上表面(b)lowerSIIrface图9胶层叫剪切应力随补片厚度的变化Fig．9Effectofpatchthicknessonxyshearstressdistributionsofthebondline图10胶层剥离应力随补片厚度的变化情况。很明显，剥离应力主要集中在损伤孔边缘和胶层端部。随着补片厚度的增加，损伤孔处胶层的剥离应力逐渐增大，而且从初始的压应力变为正向的剥离应力。但是，胶层端部的剥离应力则有所下降。结构的剥离破坏在损伤孔和端部都比较容易发生。图11是补片铺层分布为3，5和7层时，修理结构的破坏形式，可以看出在两处都发生了剥离破坏。这些试样和有限元分析的补片厚度没有对应，只是用于分析破坏形式。05101520Position叩thel础mfft(a)下表面(a)uppersurface05101520Position∞妊PaPa／ram(b)上表面(b)lowersurface图10胶层剥离应力随补片厚度的变化Fig．10Effectofpatchthicknessonpeelingshearstressdistributionsofthebondline图ll不同补片厚度试样破坏形式Fig．I1FailuremodesofthespecimenswithdifferentpatchthicknessesFRP／CM2012．No．6∞勰；号M控加博mH眩mo64：O—号5牡拐§苫r孚32●01∞￡芏讧墨点岂32，0●Bd茎1∞≈姜点L22补片尺寸对胶层应力分布的影响2012年11月由于单面修理导致的偏向弯矩使得结构在补片处发生弯曲，随着补片厚度的增加，补片的刚度增大，抵抗弯曲变形的能力提高，弯曲形变减小。损伤孔附近的胶层由压减变为拉剪状态，使得结构胶层端部的拶面的剪切和剥离应力有所减小。3结论在复合材料粘接修理金属损伤结构中，补片的尺寸的变化影响到修理的效率。通常增加补片的长度和厚度可以使补片分担更多的结构载荷，从而提高修理效率。胶层在修理结构中起到载荷传递的作用，但是，胶层中大部分区域应力都较低，只有在端部和损伤孔处较小的区域传递大部分载荷。补片长度和厚度的增加使得胶层内部的剪切应力波动减小。损伤孔处的剥离应力则随着补片长度和厚度的增加由负值变为正值，并有增大的趋势。胶层应力的增大使得胶层出现破坏的几率增大，因此，在设计补片尺寸时，必须综合考虑胶层的承载能力，不能只是一味增加补片的承载能力。参考文献[1]BakerAA，RoseLRF，JonesR．Advancesinthebondedcompos—iterepairofmetallicaircraftstructure[M]．Amsterdam：Elsevier，2002．1-6．[2]XiongJJ，ShenoiRA．Integratedexperimentalscreeningofbondedcompositespatchrepairschemestonotchedaluminum-alloypanelsbasedonstaticandfatiguestrengthconcepts[J]．CompositeStruc—tures，2008，83：266-272．[3]BakerAA．ReinforcementoftheF-111wingpivotfittingwithaborn／epoxydoublersystemmaterialsengineeringaspects[J]．Corn—posites，1993，24(6)：511-521．[4]刘宝如，张移山，李曙林，华庆祥．残余热应力对复合材料修理金属裂纹板影响分析[J]．玻璃钢／复合材料，2007，(3)：2l_24．[5]李小刚，赵美英，万小朋．复合材料胶接修补参数优化研究[J]．玻璃钢／复合材料，2010，(1)：28-31．[6]李绍春，熊峻江．复合材料胶接修补件力学性能的实验研究与数值模拟[J]．材料工程，2001，(6)：11．16．[7]章向明，陈礼威，杜奎，范江海．复合材料补片加固含椭圆孔钢板刚度分析[J]．复合材料学报，2010，27(6)：218-224．[8]徐建新，刘艳红，周煊，孙智强．金属结构的复合材料胶接修补实验研究[J]．南京航空航天大学学报，2001，33(1)：96-99．[9]程起有，姚磊江，童小燕．补片尺寸对复合材料胶接修理性能的影响[J]．飞机设计，2004，(3)：31—33．[10]王清远，袁祥明，李戍中．损伤金属结构件复合材料粘贴修复[J]．玻璃钢／复合材料，2003，(6)：4144．[“]殷强，曾竞成，杨孚标．双向受载铝合金裂纹板的复合材料胶接修复分析[J]．玻璃钢／复合材料，2005，(6)：38-41．[12]邢素丽，曾竞成，肖加余．军用飞机金属构件战伤的复合材料快速修复技术研究概况[J]．玻璃钢／复合材料，2003，(3)：3941．E重1量1ECToFTHEPATCHSIZEoNTHESTRESSDISTRIBUTIONOFTHEBONDLINEZHAOPei—zhong，HUANGXu-ren，LIYan—li，HUFang—you+(DepartmentofAeronauticalandMechanicalEngineering，QingdaoBranch，NavalAcademyofAeronauticalEngineering，Qingdao266041，China)Abstract：Inthedamagedstructurerepairedwithbondedcomposite，thebondlineactsasanimportantroleoftransferringload．Itsstressstatemayaffecttherepairedstructuresignificantly．Inthispaper，thestressdistributionofthebondlineofthebondedcompositerepairstructurewasstudied．Theincreaseofthepatchlengthandthicknesscaneffectivelyenhancethecapacityofthepatchtosharetheload．Therefore，thebearingcapacityofthedamagedstructurecanberestoredwell．However，theperformanceofthebondlinemustbegoodenoughtotransfertheload．Infact，theloadtransferringismainlydependentonsmallpartofthebondline．Thefailuremodeoftherepairedspecimencanreflectthedistributionofthestressinthebondline．Keywords：stressofthebondline；FEM；patchsize；bondedcompositerepair誉曩誊篓@∥印誓爹囊攀