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　２８　复合材料胶接修补参数优化研究　　２０１０年１月　复合材料胶接修补参数优化研究　李小刚，赵美英，万小朋　　　　　（西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２）　　　摘要：针对复合材料层合板穿透性损伤，采用圆形复合材料补片胶接修补方式，对影响胶接修补效率的多个因素进行分“”　　析计算。修补结构采用双板－胶元模型，有限元分析运用ＮＡＳＴＲＡＮ软件。所得结论对工程设计有一定的实用价值。　　　关键词：复合材料；胶接修理；有限元　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９【２０１０）０１００２８０４●　—　　——　ｊ０一　　　　　１日ＩＪ舌　随着复合材料在航空航天等工业领域的广泛应　　　　用，复合材料受损结构修补问题正成为目前航空领　　域急待解决的问题。复合材料胶接修补技术与传统　　　　　　的机械修补方法（铆接、焊接、螺接）相比，具有增重　　小、贴补胶接修补不需要对原结构开孔、不会形成新　　的应力集中源、有利于提高结构的损伤容限和抗疲　　劳性能、容易满足复杂的空气动力学要求等优点。　　　近年来，关于复合材料胶接修补研究，许多学者　　　　　　　　　　　　　　　　　进行了深入的探讨并做了大量的研究工作。　　　　　　Ｊｏｎｅｓ【ｌ等人采用平面有限元模型对含裂纹结构的　　　　　复合材料补片胶接修补问题进行了研究；Ｓｕｎ＿２等　　　　人基于Ｍｉｎｄｌｉｎ平面理论，假设沿板的厚度方向位移　线性分布，这样就可以考虑单面胶接修补结构中弯　　　　曲变形对计算结果的影响；Ｒｏｓｅ等人根据广义平　　　面应力的弹性包容理论，通过对应力集中系数、胶层　应力和裂纹尖端应力分量这三个无量纲参数的分析　　计算，对单侧修补结构中的单面和双面贴补法的修　　　　　　补效果进行了研究；ＷｉｌｌｉａｍＰ．Ｓｃｈｏｎｂｅｒｇ＿４等针对　复合材料在疲劳载荷下裂纹扩展和腐蚀等损伤研究　　　　　分析了胶接修补强度恢复情况；白金泽等针对　复合材料与金属结构穿透型损伤外贴复合材料补片　　“　”　　胶接修补方式，采用双板．弹簧有限元修正模型，　　　进行了各修补参数（补片直径、厚度、修补形式以及　　　胶层厚度等）对修补效率的影响分析；程起有等　　　基于修补结构的本构关系，对一受损层合板的双面　胶接修理问题进行分析，采用粘弹性和弹性有限元　　　两种分析方法，分析了胶接参数对修补后的结构强　　度及胶层应力的影响；吕胜利等针对复合材料单　　面胶接修理结构建立力学分析模型，并通过试验验　　证模型的可靠性，利用该模型分析补片参数对胶接　　　　修理效果的影响，得到优化设计的补片参数；殷强，　王清远和陈广域　　等也分别研究了胶接修补损　　伤复合材料在双向载荷下的强度极限，以及金属损　伤结构采用复合材料补片胶接修补的强度情况。本　　文主要针对复合材料结构孔洞型穿透损伤，采用圆　　　形复合材料补片胶接到损伤区域的表面的方法，对　影响修补效果的各种因素进行分析，得出一些有工　程实用价值的结论。　　２受损结构有限元修补模型　　本文基于复合材料修００／ＱＹ８９１１层合板孔洞　　“”　　型穿透损伤，采用双板．胶元模型，分析其修补后　强度恢复情况。　　　（１）基本假设：复合材料层合板受损结构及其　　周围有足够大的完好结构；受损板与补片厚度与各　　　　自的面内尺寸相比很小，均处于平面应力状态，且限　　　制在线弹性变化范围内；胶层为各向同性材料，且是　　线弹性的；胶接修补结构的主要失效形式为剪切失　　　效，只考虑其剪切应力失效，复合材料补片正是靠胶　　层的横向剪切力起到修补作用的。　　　（２）分析单元：采用大型有限元分析软件ＰＡＴ－　ＲＡＮ／ＮＡＳＴＲＡＮ对修补结构进行修补强度恢复特性　　　　　分析。所建有限元胶接修补模型如图１所示，复合　　材料层合母板和补片均采用ＱＵＡＤ４等参壳单元，　　　　　胶层采用８节点ＨＥＸ８单元，胶层和补片之间通过　共结点连接。　　（３）失效判据：在模型中，对复合材料母板和补　—　　片均采用ＴｓａｉＨｉｌｌ失效判据，胶层用最大剪切失效　　—　收稿日期：２００８－０９１７　　　　　　　作者简介：李小刚（１９８３一），男，硕士研究生，主要从事飞机复合材料结构维修方面的研究。　　　２０１０年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　２９　母板　　Ｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅ　　。　补片　Ｐａｔｃｈ　胶层　Ａｄｈｅｓｉｖｅ　　　图１胶接修补结构的有限元模型　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｂｏｎｄｉｎｇｒｅｐａｉｒ　　　　　　　判据。设母板，补片和胶层的极限强度分别为ｘ。，　　　　　　　ｘ：和ｘ，，取ｘ。，ｘ和Ｘ的最小值作为修补结构的　　　　　　　极限强度：ｘ修补＝ｍｉｎ（Ｘ，Ｘ，Ｘ３）。为了便于比较，　　我们定义：　　极限强度恢复＝×　　ｏｏ％　　　　　　（４）修补结构材料参数：考虑到实际结构中载　　　　荷的复杂性，母板和补片均采用修００／ＱＹ８９１１层合　　　板，基本铺层为［（±４５。／０。／９０。／０。／±　４５。）］，胶层　　厚ｔ＝０．１ｍｍ。　　　表１修补材料力学性能参数　　　Ｔａｂｌｅ１Ｔ　　　　　ｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂｏｎｄｉｎｇｒｅｐａ　　ｉｒｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ　　　　　　　材料Ｅ１ｔＥＧ１２　　　　　　　　　ＸＸｃＹＴＹｃＳ　　　　　　　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅ＆，ＧＰ＆，ａ　　　　　　　　　　，ａ，ｌａ／ＭＰａ／ＭＰａ／ＭＰａ　　３胶接修补强度恢复计算与影响因素　分析　　本文算例是从复合材料受损结构中取出一个分　　　　　　离体，如图２所示，母板长宽尺寸为１６０ｘｌＯＯｍｍ的　　　　　　　　　层合板，受损孔径大小为３０ｍｍ，母板厚度分别为　　　　　２．５６２ｍｍ、１．７０８ｍｍ和０．８５４ｍｍ。根据修补模型，　　　　　在单向拉伸力作用下，针对不同的母板厚度、补片厚　度、补片大小、单双面修补方法分析胶接修补后强度　　恢复情况，得出了上述参数的最佳取值范围。　　图２修补结构示意图　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｒｅｐａｉｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　　　三种母板的３０ｍｍ穿透ｌ￣：ｆＬ径损伤，分别采用不同　　　　　　　　　　直径的补片进行单面胶接修补，补片直径分别取　　　　　　　度的３０％～１００％，计算所得胶接修补后的极限强　　５５ｒ　　　　２・５６２ｎｕｎｔｈｉｃｋｎｅｓｓｐｃｈ　５０　　誊　补片相对直径　　　Ｐａｔｃｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｉａｍｅｔｅｒ／％　　　图３厚度２．５６２ｍｍ母板单面修补极限强度恢复　　　　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｏｎｅｓｉｄｅｒｅｐａｉｒｆｏｒ　２．５６２ｍｍｍｏｔ　　ｈｅｒｐｌａｔｅ　补片相对直径　　　Ｐａｔｃｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｉａｍｅｔｅｒ／％　　　４厚度１．７０８ｍｍ母板单面修补极限强度恢复　　　　　　　　Ｆｉｇ．４Ｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｏｎｅｓｉｄｅｒｅｐａｉｒ　　　　ｆｏｒ１．７０８ｍｍｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅ　补片相对直径　　　Ｐａｔｃｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｉａｍｅｔｅｒ／％　　　图５厚度ｏ．８５４ｍｍ母板单面修补极限强度恢复　　　Ｆｉｇ，５Ｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔ　　　　　ｒｅｎｇｔｈｏｆｏｎｅｓｉｄｅｒｅｐａｉｒｆ　　　　ｏｒ０．８５４ｍｍｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅ　毒　｜ｌｌ　∞　００Ｑ　复合材料胶接修补参数优化研究　　２０ｌＯ年１月　由图３、图４与图５可知，单面修补结构极限强　度恢复和补片的大小、补片的相对厚度、母板的厚度　都有一定的关系。补片越大，修补结构极限强度恢　　　复效果越好，在补片直径为孔径大小的１．３３～１．６７　倍之间，修补结构的极限强度随补片直径的增大迅　　　　速增长，１．６７倍以后增长速度有所减缓，考虑到增　—　重等因素，一般选取补片大小为孔径的１．６７２．５　　　倍；受刚度协调等因素的影响，补片越厚不一定修补　　　效果越好，补片厚度为母板厚度的５０％时修补效果　　最佳；当胶接修补较厚层合板时，由于胶层的强度远　　低于母板和补片的强度，以及胶层、母板和补片强度　　　匹配较差等原因，修补强度只能恢复到４０％～５０％　　左右，建议修补较厚层合板选用传递载荷较强的双　面胶接修补或螺接修补；胶接修补较薄层合板强度　　　　　恢复可达６０％～８５％。单面修补因为偏心拉伸，带　　　来较严重的弯曲效应，从而降低了修补效率。　（２）双面胶接修补强度恢复　　　针对厚度为２．５６２ｍｍ、１．７０８ｍｍ和０．８５４ｍｍ　翥　藿　辎　‘　补片相对直径　　　Ｐａｔｃｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｉａｍｅｔｅｒ／％　　　图７厚度１．７０８母板双面修补极限强度恢复　　　　　　　　　Ｆｉｇ．７Ｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｗｏｓｉｄｅｓｒｅｐａｉｒ　　　　ｆｏｒ１．７０８ｍｍｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅ　三种母板的３０ｍｍ穿透性孔径损伤，分别采用不同　直径的补片进行双面胶接修补，补片直径分别取　　４０～９０ｍｍ六种补片尺寸，补片厚度分别为母板厚　　　　　度的３０％一２００％（双侧之和，下面图中所示厚度均　指双侧之和），计算所得胶接修补后的极限强度恢　　　复情况见图６、图７与图８。＋　　补片厚度５．１２４ｍｍ　补片相对直径，％　Ｐａｔｃｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｉａｍｅｔｅｒ／％　　　　图６厚度２．５６２ｍｍ母板双面修补极限强　　　　　Ｆｉｇ．６Ｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔ　　　ｗｏｓｉｄｅｓｒｅｐａｉｒ　　　　ｆｏｒ２．５６２ｍｍｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅ　厚度Ｉ＿７０８ｒａｍ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｐａｔｃｈ　厚度０．９７６ｍｍ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｐａｔｃｈ　厚度０．４８８ｍｍ　　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｐａｔｃｈ　补片相对直径，％　　Ｐａｔｃｈｒｅｌａｔｉｖｅｄｉａｍｅｔｅｒ／％　　　图８厚度０．８５４ｍｍ母板双面修补极限强度恢复　　Ｆｉｇ．８Ｒｅｃｏｖｅｒ　　　　　　ｙｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｏｎｅｓｉｄｅｒｅｐａｉｒ　　　　ｆｏｒ０．８５４ｍｍｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅ　　　表２厚度为１．７０８ｍｍ母板单双面胶接修补强度恢复比较　　　　　Ｔａｂｌｅ２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔ　　ｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔ　　　　　　　　　ｒｅｎｇｔｈｏｆｏｎｅｓｉｄｅａｎｄｔｗｏｓｉｄｅｓｂｏｎｄｉｎｇｒ　　　　　ｅｐａｉｒｆｏｒ１．７０８ｍｍｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅ补片直径　４０ｍｍ　５０ｍｍ　６０ｍｍ　７０ｍｍ　８０ｍｍ　９０ｍｍ　　厚度＼　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　单补双补单补双补单补双补单补双补单补双补单补　双补　　　　由图６、图７与图８可知，双面胶接修补增大了　　　　胶的接触面积，降低了胶层传递的载荷，避免了偏心　拉伸带来的弯曲效应，从而大大增强了修补结构的　　　　　强度恢复。由表２可以看出，相同厚度和大小的补　　　片对同一受损母板进行修补，双面修补极限强度恢　　　　　复要高出单面修补２０％以上。当补片直径为孔径∞　＝ｇ　　　　　∞●　：２舳；２：３　　毫器曷售县ＩｒＩｇ言０　∞　　　　。弓暑募昌暑鲁骞２　—　　　｛氍　毫　氍　∞　　　　　　口占霉嗣召ＩｌＩｏ矗ｏ。ａ　　２０１０年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３ｌ　　　　的１．６７～２．５倍，补片相对厚度（双侧之和）为母板　　　　　厚度的４５％～６０％时修补结构强度恢复最佳，对于　　　　　较厚修补结构，强度恢复可达７０％左右，对于较薄　　　修补结构强度恢复可达９０％以上。　　　４结论　　　　本文针对复合材料孔洞穿透型损伤，应用圆形“”　补片修补，采用双板．胶元模型分析了影响胶接修　　　补结构的多个因素，结论如下：　　　　　（１）在承受单向静拉力时，胶接修补结构的主　　　要失效形式为胶层的剪切失效，补片越大，胶层承载　　　　　能力越强，强度恢复效果越好，但考虑诸多因素，补　　　片大小为孔径的１．６７～２．５倍时修补效果最佳；　　　　　　　（２）胶接修补时，母板、补片和胶层的强度、刚　　　度匹配很重要，补片不宜过厚，单面胶接修补一般取　　　　　　　　母板厚度的５０％较好，对于较厚母板，由于偏心拉　　　　　　　　　　　　　　伸带来较严重的弯曲效应，强度恢复只能达到　　　　　　　　　　　　　　４０％～５０％，对于较薄母板，修补强度恢复可达　　　６０％～８５％；　　　　（３）双面胶接修补可增大胶层接触面积，避免　　　　　　　　偏心拉伸带来的弯曲效应，大大增强了修补结构　　　　　　　　　　　　　　的极限强度。双面胶接修补一般取母板厚度的　　　　　　　４０％～６０％（两侧之和）较好，对于薄板可适当增　　　　　加补片厚度。双面胶接修补较厚母板时强度恢复　　　　　　可达７０％，双面胶接修补较薄母板时强度恢复可　　　　　　　　达９０％以上，在条件允许的情况下尽量采用双面　　胶接修补。　参考文献　　　　　　［１］ＪｏｎｅｓＲ，Ｄａ￣ｓｍ，ＣａｌｌｉｎａｎＲＪ，ｅｔａ１．Ｃｒａｃｋｐａｔｃｈｉｎｇ：ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ　—　ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，１９８２，１０（２）：１７７１９０．　　　　　　　　　［２］ＳｕｎＣＴ，ＫｌｕｇＪ，ＡｒｅｎｄｔＣ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｒａｃｋｅｄＡｌｕｍｉｎｕｍＰｌａｔｅｓ　　　　　　ＲｅｐａｉｒｅｄｗｉｔｈＢｏｎｄｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＰａｔｃｈｅｓ［Ｊ］．ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌ，１９９６，　３４（２）：３６９－３７４．　　　　　　　　　　　　—　［３］ＲｏｓｅＬＲＡｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎａｎａｌｏｇｙｆｏｒｂｏｎｄｅｄｒｅｉｎ　　　　　ｆｏｒｅｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｉｎｔ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９８ｌ，１７：　８２７－８３８．　　　　　　—　［４］ＷｉｌｌｉａｍＳｃｈｏｎｂｅｒｇ，ＰａｒｅｓｈＫｕｍａｒ．ＢｏｎｄｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＰａｔｃｈＤｅ　　　　　　　　　ｓｉｇｎｆｏｒＡｉｒＣｒａｆｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＥｘｈｉｂｉｔｉｎｇＣｒａｃｋｉｎｇａｎｄＣｏｒｒｏｓｉｏｎ［Ｊ］．　—　ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌ，２００２１７２４．　　　［５］自金泽．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）：５９８－６００，　　　　　　　　　　　　　　　［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）：３８４１．　　　［１０］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，（６）：４ｌ．　　　　　　　　　［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）：２２－２４．　　　　　　　　　［１２］薛克兴．复合材料结构的损伤与修补［Ｍ］．北京：航空工业出　　版社，１９９２．　　　　　　［１３］马祖康．复合材料力学基础［Ｍ】．西安：西北工业大学，１９９３．　　　　　［Ｉ４］吴人洁．复合材料［Ｍ］．天津：天津大学出版社，２０００．　　　　　［１５］周学良．胶粘剂［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２．’　　’　　　　　　　　　　　ｏｌｙＩＩＭ【ＩＺＡＴｌ００重ＣｏＭＰｏＳ１．ＩＩＥＰＡＴＣＨＢｏＮＤｌＧＲＥＰＡｌＲｌＮＧＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ　—　—　　—　ＬＩＸｉａｏｇａｎｇ，ＺＨＡＯＭｅｉｙｉｎｇ，ＷＡＮＸｉａｏｐｅｎｇ　　　　’　　　　（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｅｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｐｅｎｅｔｒａｂｉｌｉｔｙｄａｍａｇｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｒｏｕｎｄｅｄｐａｔｃｈａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｒｅｐａｉｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｃｏｖｅｒｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｔｃｈａｄｈｅ　　　　　　　　—　　　　ｓｉｖｅｂｏｎｄｉｎｇｒｅｐａｉｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅａｕｔｈｏｒｕｔｉｌｉｚｅｄｔｈｅｄｏｕｂｌｅｐｌａｔｅｂｏｎｄｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｆ　　　　ｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｔｏ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｐａｉｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｉｎｇｒｅｐａｉｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮａｎｄｏｂｔａｉｎｓｏｍｅｖａｌｕａ　　ｂｌｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ．　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｉｎｇｒｅｐａｉｒ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ　　　０由瓣陋：２ｏ１