复合材料层合板贴补修理稳定性研究.pdf

２０１３年第２期玻璃钢／复合材料１３复合材料层合板贴补修理稳定性研究郭彦江，黄俊，蒙志君，何维（北京航空航天大学航空科学与工程学院，飞机系，北京１００１９１）摘要：论文针对胶接修理的贴补修理方式，基于ＭＳＣ．ＰＡＴＲＡＮ（有限元分析）软件建立层合板和双筋及格栅加筋板的有限元模型，对于常见的一边固定一边受平面压力的情况，进行屈曲分析，研究补片的尺寸和厚度对于修理稳定性的影响，然后找出屈曲特征值随￣ｌ－）ｉ参数变化的规律。研究结果表明，补片直径和修补后模型的屈曲特征值之间的变化关系并不是简单的线性关系；补片的直径和厚度取某特定区间的时候整个模型最稳定；对于加筋层合板来说，筋条可以分担部分载荷，所以加筋板筋条间的母板损伤修补效率比层合板有所提高。关键词：复合材料；层合板；贴补修理；稳定性中图分类号：ＴＢ３３２；Ｖ２１４．８文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１３）０２００１３０４—■——１ｊ一上日ＩＪ吾复合材料因其具有比刚度高、比强度大、可设计性强以及优良的抗疲劳特性和耐腐蚀性能等特点，在航空航天等领域获得了广泛的应用。但大量复合材料部件在生产、使用和维护过程中不可避免会发生结构缺陷或损伤，必须及时进行修理，以减少生产中部件的报废率，提高部件的使用完好率。以前因为材料科学不发达，修理的方式只能局限于金属补片的铆接和小部分焊接，近年来随着复合材料的蓬勃发展，复合材料的胶接修理也渐渐被广泛应用。但是限于胶粘剂的发展水平以及人们对胶接技术的认识、掌握程度，胶接修补技术还主要用于低载荷或中等载荷的结构的修补，在此基础上，本文针对胶接修补中的贴补修理方式，建立复合材料层合板和加筋板的有限元模型，并通过改变材料的属性和参数来研究补片参数的变化对整个修补结构稳定性的影响，得到最佳的补片参数区间。２层合板建模和稳定性分析针对胶接修补中的贴补修理，结合ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ＆Ｎａｓｔｒａｎ软件分别建立复合材料层合板、加筋板的有限元模型，采用有限元法进行分析、计算，得出相关的特征向量位移云图，然后详细探讨补片尺寸、补片厚度等几何参数对修补后模型的稳定性的影响规律。２．１问题的描述图１贴补修理层层板结构几何模型贴补修理几何模型示意图如图１，该修补结构由母版、补片和胶层三部分组成，其中母版中央有一孑Ｌ洞型穿透损伤（孔径ｄ＝５ｍｍ），通过单面胶接一块圆形的补片（补片直径为Ｄ，厚度为ｈ）来对其进行修补，母版一端固定，一端承受载荷Ｐ。表１材料的材料参数表材料ＥｉＥ２№№ｌＧ１Ｇ３ｐ母版４５４５８ｅ９０．３２０．３２０．０５１７．８ｅ９３．３ｅ９３．３ｅ９７００补片４５ｅ９４５ｅ９８ｅ９０．３２０．３２０．０５４５ｅ９３．３ｅ９３．３ｅ９７００胶层２．１ｅ９０．２７１２００材料的几何参数如表１所示（Ｅ为弹性模量，单位为Ｐａ；为泊松比，单位为１；Ｇ为剪切模量，单位为Ｐａ；Ｊ９为密度，单位为ｋｇ／ｍ）。补片的厚度讨论为０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍ，孔的大小Ｄ／ｄ讨论为２、２．４、２．８、３．２，因此，一共建立８个模型。收稿日期：２０１２－０４－２０作者简介：郭彦江（１９８８－），男，硕士，主要从事飞行器结构设计研究。螭２０１３年第２期玻璃钢／复合材料１５时模型的云图，求得屈曲因子的大小，然后作屈曲特征值随补片直径Ｄ的变化曲线，如图５所示。图５屈曲因子随补片直径变化曲线图从图５中可以看出，随着直径Ｄ的变化，屈曲因子先是增加，然后又逐渐变小，在直径为１２ｍｍ附近的时候有个极大值，到１５ｍｍ以后屈曲因子的变化趋于平缓，可以看出，直径Ｄ在１０ｒａｍ到１４ｍｍ区间内稳定性最好，而大于和小于这个临界点都会造成屈曲因子的显著下降，这说明在这附近最有利于稳定性，大约为损伤孔径的２到３倍。３加筋板建模与稳定性分析复合材料加筋板在冲击载荷作用下，会产生筋条与蒙皮脱粘、蒙皮分层等损伤，加筋板是通过加筋条来改善板的力学性能。下面将把层合板放人加筋的外板中，分析加筋条后补片参数的变化对内板稳定性的影响，外板厚度为２．４ｍｍ，筋条尺寸为１０×４ｍｍ，筋条距离两边的距离为９６ｍｍ，内板位于整个板的中央，讨论直径Ｄ影响时，补片的直径Ｄ分别取１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ，厚度ｈ取１ｍｍ；讨论厚度ｈ影响时，厚度ｈ分别取０．５ｍｍ、１．０ｒａｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ，直径Ｄ取１０ｍｍ，也就是建立２筋、４筋各８个模型进行分析。３．１复合材料加筋板有限元建模内板和胶层、补片的建模方法同层合板，图６为加筋条和母版外壳的网格模型图。一一（ａ）筋条（ｂ）四筋结构图６整体试件的有限元网格图３．２加筋板屈曲特征值随参数变化规律首先，分析双筋加筋板屈曲特征值随厚度ｈ的变化规律。取Ｄ＝１０ｒａｍ，厚度ｈ从０．５～２ｍｍ变化，作屈曲特征值随补片厚度ｈ的变化曲线，如图７所示。图７加筋板屈曲因子随补片厚度的变化曲线图从图７中可以看出，随着厚度的逐渐增加，在厚度为１．５ｍｍ的时候屈曲因子开始下降，在１．０ｍｍ到１．５ｍｍ即厚度ｈ为母板厚度的４０％到６０％的时候稳定性最好，而且基本上０．５ｍｍ到１．５ｒａｍ的时候都可以用，甚至可以薄到母板厚度的３０％，这说明对于加筋的情况，合适厚度的范围要远远大于不加筋的情况，比不加筋的层合板有更强的适用性。下面再固定补片的厚度ｈ，改变补片的直径Ｄ，分析尺寸对稳定性的影响，补片直径从１０～１６ｒａｍ变化，这时候补片的厚度ｈ取１ｍｍ，作屈曲特征值随补片直径Ｄ的变化曲线，如图８所示。图８加筋板屈曲因子随补片直径的变化曲线图从图８中可以看出，随着补片直径的变化，屈曲特征值增加的趋势逐渐变缓。大约在１３ｒａｍ的时候出现一个拐点，这之后增加的趋势逐渐变缓，说明大约在补片直径为损伤孔径大小的２．５倍的时候最合适，在实际中使用的范围为２到３倍损伤孔径大小。相比较层合板，只是屈曲因子变大，并没有增加稳定∥＿踊ｅ霹｜２。邸｜，２复合材料层合板贴补修理稳定性研究２０１３年３月性适用的范围，但是屈曲因子的值增加了很多，所以加筋的效果明显。４结束语本文针对复合材料修理中的贴补修理的情形，建立了层合板、加筋层合板（双筋／四筋）的有限元模型，讨论了建立贴补修理模型的方法，得到了一般受力下的变形的位移云图，绘制出了屈曲特征值随补片厚度、直径的变化曲线图，并针对层合板、加筋板的修补稳定性进行了对比分析，得出了一些有意义的结论：（１）对于贴补，一般补片取层合板厚度的４０％～６０％的时候最为合适；（２）一般补片直径取层合板损伤孔径的２～３倍的时候修补的效果最好；（３）对于加筋板，在小载荷情况下，双筋已经足够满足修补稳定性的要求，加四筋屈曲因子的值变化不大。参考文献［１］ＪｏｎｅｓＲ，Ｄａｖｉｓｍ，ｅｔａ１．Ｃｒａｃｋｐａｔｃｈｉｎｇ：ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．—ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，１９８２，１０（２）：１７７１９０．［２］ＳｕｎＣＴ，ＫｌｕｇＪ，ｅｔａ１．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｒａｃｋｅｄＡｌｕｍｉｎｕｍＰｌａｔｅｓＲｅ．ｐａｉｒｅｄｗｉｔｈＢｏｎｄｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＰａｔｃｈｅｓ［Ｊ］．ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌ，１９９６，３４（２）：３６９－３７４．『３］ＲｏｓｅＬＲＦ．Ａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎａｎａｌｏｇｙｆｏｒｂｏｎｄｅｄｒｅｉｎ．ｆｏｒｅｍｎｔ［Ｊ］．Ｉｎｔ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９８１，１７：—８２７８３８．—［４］ＷｉｌｌｉａｍＰ．Ｓｃｈｏｎｂｒｇ，ＰａｒｅｓｈＫｕｍａｒ．ＢｏｎｄｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＰａｔｃｈＤｅｓｉｇｎｆｏｒＡｉｒｃｒａｆｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＥｘｈｉｂｉｔｉｎｇＣｒａｃｋｉｎｇａｎｄＣｏｒｒｏｓｉｏｎ［Ｊ］．ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌ，１７２４－２００２．［５］白金泽．复合材料补片胶接补强修补技术参数分析［Ｊ］．机械科学与技术，２００１，２０（５）：７４８－７５０．［６］白金泽．胶接修补结构在多向载荷下的极限强度［Ｊ］．机械科学与技术，２００２，２１（２）：４５４－４５９．［７］程起有．复合材料层合板胶接修理的粘弹性有限元分析［Ｊ］．机—械科学与技术，２００７，２６（１０）：１３５０１３５３．［８］吕胜利，程起有等．损伤复合材料层板胶接修理的优化设计［Ｊ］．机械强度，２００７，２９（４）：５９８￣００．［９］殷强，曾竟成等．双向受载裂纹板的复合材料补片胶接修补［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００５，（６）：３８２－４１１．［１Ｏ］王清远，袁祥明等．损伤金属结构件复合材料粘贴修补［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００３，（７）：４１２－４４１．［１１］陈域广，张巍．直升机复合材料胶接修补方法研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００２，３：２２２－２４１．［１２］沈观林，胡更开．复合材料力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．［１３］刘兵山，黄聪．Ｐａｔｒａｎ从入门到精通［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００３．［１４］程起有，姚磊江等．补片尺寸对复合材料胶接修理性能的影响—［Ｊ］．飞机设计，２００４，９（３）：３１３３．［１５］吕胜利，童晓燕等．损伤复合材料层板胶接修理的优化设计［Ｊ］．机械强度，２００７，２９（４）：５９８６０．ＳＴＵＤＹｏＮＴＨＥＳＴＡＢＩＬＩＴＹｏＦＴＨＥＣｏＭＰｏＳＩＴＥＬＡＭＩＮＡＴＥＳＷＩＴＨｏＮＥ．ＳＩＤＥＢＯＮＤＥＤＲＥＰＡＩＲＧＵＯＹａｎ－ｊｉａｎｇ，ＨＵＡＮＧＪｕｎ，ＭＥＮＧＺｈｉ－ｊｕｎ，ＨＥＷｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃＳｃｉｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｒ．Ｔｈｒｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｓｂａｓｅｄｏｎＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎａｒｅｃｒｅａｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｂｕｃｋｉｎｇｆａｃｔｏｒｏｆｔｈｅｒｅｐａｉｒｅｄｌａｍｉｎａｔｅｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｒｅｐａｉｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｔｈｅｐａｔｃｈｒａｄｉｕｓ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｐａｔｃｈｅｔｃ．）ｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｅｐａｉｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｓｏｍｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｒｅｓｈｏｗｎａｓｆｏｌｌｏｗｓ：Ｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｌｏａｄｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｏｎｏｔｉｎｃｒｅａｓｅｌｉｎｅａｒｌｙｗｉｔｈｔｈｅｐａｒａｍｅｔｒｏｆｔｈｅｐａｔｃｈ．ＴｈｅｍｏｓｔｓｔａｂｌｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｈａｐｐｎｓｗｈｎｔｈｅｐａｔｃｈｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉＳａｂｏｕｔ４０％～６０％ｏｆｔｈｅｌａｍｉｎａｔｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｆｏｒｔｈｅｃｏｍ．ｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｗｉｔｈｓｔｉｆｆｎｒｓ，ｓｉｎｃｅｔｈｅｓｔｉｆｆｎｒｓｃａｎｒｅｃｅｉｖｅｌｏａｄｓ．ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｌａｍｉｎａｔｅｓｗｉｔｈｓｔｉｆｆｎｒｓｉＳｍｏｒｅｅｘｃｅｌｌｎｔｔｈａｎｔｈａｔｏｆｌａｍｉｎａｔｅｓｗｉｔｈｏｕｔｓｔｉｆｆｎｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｒｉａｌｓ；ｌａｍｉｎａｔｅｓ；ｂｏｎｄｅｄｒｅｐａｉｒ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ２￣ｉ３Ｎｏ．