补片倒角对复合材料胶接修理后承载能力的影响

□ 李 艳 □ 于克杰 □ 李小雷

空军第一航空学院 航空修理工程系 河南信阳 464000

补片倒角对复合材料胶接修理后承载能力的影响

□ 李 艳 □ 于克杰 □ 李小雷

空军第一航空学院 航空修理工程系 河南信阳 464000

以圆孔型损伤为例，利用三维有限元模型分析了复合材料层合板的贴补修理，研究了6种不同补片倒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：在其它参数不变的前提下，合理选择补片倒角可降低胶层剪应力的最大值，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贴补修理方案设计具有一定的指导意义。

复合材料 贴补修理 补片倒角 有限元

飞机复合材料胶接修理可以分为贴补和挖补两种基本的修理方法［1］。与挖补修理相比，贴补修理具有操作简单、对原结构材料打磨少等优点，所以在飞机复合材料结构修理中应用比较广泛。当采用贴补修理时，为较好地满足气动力的要求，补片四周需要整修制作倒角。从目前查阅的文献看，基本上都是研究复合材料胶接修理中补片尺寸、胶层厚度等参数对结构修理的影响，并没有提及补片倒角的影响［2-4］。为此，本文采用有限元分析的方法，通过改变贴补修理补片倒角的角度，研究其在拉伸载荷作用下对飞机复合材料结构强度的影响，并为复合材料贴补修理补片倒角的合理选择提出参考意见。

1 有限元分析模型

1.1 分析对象

选用T300/QY8911碳纤维增强复合材料作为层合板母板，每铺层厚度为0.12 mm，铺层顺序为［±45/0/ 90/±45/0/90/±45］，材料性能参数见表1，其长度L为300 mm、宽度W为160 mm、厚度T为2.4 mm、圆孔直径D为40 mm。补片材料为T300/QY8911碳纤维增强复合材料，补片直径Dp为100 mm，补片厚度Tp同母板厚度，设补片边缘倒角θ分别取15°、30°、45°、60°、75°和90°。胶层材料为FM73M，弹性模量E=2.80 GPa，泊松比ν=0.38，剪切模量G=1.06 GPa，剪切强度S= 34.1 MPa，剥离强度T=5.0 MPa，胶层厚度为1.5 mm。复合材料层合板贴补修理的几何形状如图1所示。

表1 T300/QY8911的材料参数

▲图1 贴补修理的几何结构示意图

1.2 有限元模型

为提高计算效率和精度，利用对称性建立几何模型，采用ANSYS提供的8节点3D实体单元Solid46模拟T300/QY8911复合材料母板和补片，采用各向同性体元（Solid Brick 45）来划分胶层，其网格划分后如图2所示。其中，坐标原点位于母板圆孔损伤的圆心，OX轴指向0°铺层的方向，OY轴指向90°铺层的方向，OZ轴指向铺层叠加的方向。在复合材料层合板对称面的节点上施加面对称约束条件，在一端面施加拉伸均布载荷。

▲图2 胶接贴补修理的网格模型

2 计算结果分析

贴补修理结构由母板、补片和胶层三部分组成，相应地其失效模式可以分为母板失效、补片失效和胶层失效。由于母板和补片均采用复合材料，所以它们的破坏强度均采用Hashin失效准则判断，而胶层的破坏强度采用最大剪应力失效准则判断。结合这两个失效准则得出飞机复合材料贴补修理后的承载能力，即有限元分析中施加于被修复损伤复合材料端部载荷的最大值。

2.1 不同补片倒角模型下胶层剪应力比较

根据有限元分析结果可知，胶层失效是引起复合材料贴补修理最终破坏的原因，因此在其它参数不变的前提下，重点研究不同补片倒角对胶层剪应力的影响。图 3（a）至图 3（d）分别是补片倒角为15°、30°、45°和90°下对应的胶层剪应力图。

▲图3 不同补片倒角下的胶层剪应力图

由图3可知，胶层内外两侧区域均是胶层中的最大剪应力区，这说明当胶层最大剪应力超过其剪应力强度值时，胶层从两端开始发生破坏；补片倒角小于45°时，虽然倒角越小胶层内部剪应力分布越均匀，但其边缘最大剪应力将增大；但当补片倒角在45°至90°（不带倒角）变化时，胶层的剪应力大小和分布基本没变化。这说明补片倒角小于45°对胶层剪应力大小和分布有明显的影响，但大于等于45°后，对胶层剪应力大小和分布基本没有影响。

2.2 不同补片倒角模型下修理结构承载能力比较

图4是补片倒角对复合材料贴补修理结构承载能力的影响图。由图可知，当补片倒角较小时，修补结构的承载能力随着补片倒角的增大而增加；当补片倒角增加到45°后，随着补片倒角的增大，修补结构的承载能力基本不变。所以从承载能力的角度看，补片倒角在45°～90°之间最佳。但为了较好地满足飞机气动性的要求，补片四周需要制作倒角，所以综合考虑补片倒角为45°，这样既可使修补结构的承载能力达到最佳状态，也可较好地满足飞机气动性的要求。

▲图4 补片倒角对复合材料贴补修理结构承载能力的影响

3 结论

通过有限元对比分析了不同补片倒角对胶层剪应力分布和修理结构承载能力的影响，结果表明：胶接边缘区域是胶层中的最大剪应力区；补片倒角小于45°对胶层剪应力和修理结构承载能力影响明显，大于45°后，对胶层剪应力和修理结构承载能力几乎没有影响。

［1］郑立胜，李远才，董玉祥.飞机复合材料粘接修理技术及应用［J］.粘接，2006，27（2）：51-52.

［2］姚磊江，童小燕，董善艳.损伤复合材料层板胶接修理强度分析［J］.机械科学与技术，2005，24（6）：676-678.

［3］向法武，李曙林，石晓鹏，等.损伤复合材料胶接修理后承载能力的有限元分析 ［J］.机械工程材料，2012，36（8）：101-104.

［4］朱新宇，卢俊文.基于剩余强度的复合材料补片形状优化研究［J］.中国民航飞行学院学报，2011，22（3）：8-11.

（编辑 丁 罡）

TH122；V267+.46

B

1000-4998（2015）04-0050-02

2014年10月