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损伤复合材料层板胶接修理的澳门银河娱乐平台

发布于:2019-02-16 21:06
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      飞行器结构中的关键部件越来越多地采用纤维增强复合材料。纤维增强复合材料属于易损结构,在制造中经常会产生开胶、分层缺陷,在服役过程会造成弹孔、裂纹等损伤,这些损伤需要得到及时的维修以保证结构的安全服役。在受损结构的外表面胶接复合材料补片来进行补强是一种常用的胶接修理方法。本文建立了层合板穿透型损伤和半穿透型损伤修理的澳门银河娱乐平台模型,探讨了补片直径、厚度、铺排方式等修理参数对修理效果的影响规律,并对计算分析结果进行了试验验证。
      试验采用的母板为某直升机复合材料主承力结构的梁腹板材料,由双向碳纤维预浸布ECS002010铺设而成,铺层方式为,通过热压机按材料的固化参数在180℃的高温下固化成型。在完好母板上机械加工孔来模拟穿透型损伤和半穿透型损伤,如图所示。半穿透型母试样孔深为母板厚度的1/4补片材料采用DH5217.325.30(单层厚度为0.175),粘接材料采用3125胶膜。修理方式为补片预浸布铺设并与母板用胶膜粘接,然后中温固化成型,加压方式为抽真空袋。为了防止试件与试验机夹头滑脱以及试件被夹碎,在试件两端贴了加强片,加强片材料为DBC3/6,与补片一起进行固化。在MTS810/13试验机上完成无损伤板试样和修理试样的静力拉伸试验,记录破坏载荷。修理效果以强度恢复表示,即修理试样的静强度与无损伤试样的静强度的比值。
      由于现有的复合材料三维基本数据不完整,因此需要构造二维有限元简化模型,其关键问题在于如何模拟胶层以及考虑修理结构的附加弯曲效应。孙洪涛在研究金属结构损伤修理时提出了“双板一弹簧元”修正模型。该模型利用“弹簧元”与Mindlin板共同考虑横向剪切效应。模型具有较高的计算精度,并且可以考虑修理结构中的弯曲效应。本文采用“双板一弹簧元”修正模型对穿透型损伤修理结构进行模拟计算。母板及补片采用四节点Mindlin板元模拟,胶层用3种线性弹簧元来模拟,其中两种剪切弹簧元模拟平面的横向剪切力,一种轴向弹簧元模拟z方向的轴向正应力。对于非穿透型损伤,在“双板一弹簧元”修正模型的基础上,提出“三板一弹簧元”模型。其思路如下:将具有非穿透损伤的母板简化为两层Mindlin板,母板损伤部分简化为孔板,母板未损伤部分简化为完好板,孔板与完好板之间采用位移约束进行连接。胶层还是利用上述的3种线性弹簧元来模拟,如图所示。
      为了获得修理结构的剩余强度,需要对以下几种破坏方式进行校核:(1)带孔层合板的拉伸破坏;(2)层合板的拉伸破坏;(3)胶层剪切破坏;(4)胶层剥离破坏。带孔层合板的拉伸强度采用平均应力失效准则进行估算,即认为距离孔边某一特征长度之内的平均应力达到材料的极限强度时层合板破坏。该准则中特征长度的选取与材料本身的质量和成型方法有很大关系,一般在23~-7.6~之间。根据Nuisner的研究结论,本文取特征长度为38mm层合板失效准则采用Tas}Wu准则。同MSC.NASTRTAN保持一致,取失效准则中有争议的参数胶层视为各向同性材料,破坏准则采用最大应力理论:只要胶层内剪应力或剥离应力值到达其剪切强度或剥离强度,胶层就发生破坏。修理结构的破坏总是从上述最薄弱的环节开始,逐渐发展至整体破坏。修理结构剩余强度即为上述各种破坏形式对应剩余强度的最小值。由于缺少相应的材料参数,本文在计算修理结构极限强度的时候没有进行剥离破坏的校核。
      穿透型损伤修理的的强度恢复为40%-70%,半穿透型的强度恢复为50%-86%。修理参数对修复效果和破坏模式的影响非常显著。通过选择合理的修理参数,穿透型的强度恢复最大可达75%,半穿透型的强度恢复能够达到90%。从破坏模式上看,由于存在胶接缺陷,补片和母板很容易脱粘。半穿透型损伤试件发生脱粘的情况比穿透型损伤试件要大。补片和母板同时断裂的情况主要发生在补片厚度比较小以及补片直径比较大的情祝。


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