基于复合材料机身蒙皮的混合修理研究

刘礼平 王宇灿

摘要：论文以飞机复合材料蒙皮为研究对象，研究探讨含穿透性孔损伤的复合材料蒙皮的修理方法。由于胶铆混合修理传力机制较为复杂，故只针对简单的含穿透性孔损伤的复合材料层合板平板的模型进行相关力学性能分析研究，研究胶铆混合修理的修理效果。论文基于ANSYS12.0软件有限元分析软件进行相关建模和有限元分析，对胶铆混合修理方式进行研究。

Research on Hybrid Repair of Composite Skin Fuselage

Abstract In this paper，the composite material skin of the aircraft is taken as the research object，and the repair method of the composite skin with penetrating hole damage is studied. Because of the complexity of the mechanism of adhesive-rivet hybrid repair，it is only for the simple mechanical properties of composite laminates with penetrating holes. The thickness of laminates are studied. To study its effect on adhesive-rivet hybrid repair. Based on ANSYS12.0 finite element analysis software，the correlation modeling and finite element analysis are carried out. The effect of different thickness laminates on the mechanical properties is studied.

1 背景內容

1.1 复合材料胶铆混合修理国内外研究现状对比

复合材料由于其比强度和比刚度高、抗疲劳性、减振性和热稳定性好等特点，使其在航空航天域应用广泛[1-7]。波音787占飞机结构重量的50%使用复合材料[4-8]。大型民航客机大量的使用复合材料，必将使航空公司和航空维修企业由传统的主要对金属结构的维护与修理转到主要对复合材料的维护和修理。

目前，复合材料的修理方式通常有胶接修理、机械修理和机械-胶混合修理三种方式。这三种修理方式各自有其独特的优点，由于胶接修理的修理手段多样，不仅能够在时间紧、任务急的情况下采用临时贴补修理来处理损伤不严重的情况，而且还可以通过永久挖补修理的方式最大效率的恢复结构强度且能够对气动外形要求较高的蒙皮表面进行有效处理而被广泛采用。在复合材料胶铆混合修理的研究中，Kweon J H，Jung J W[8-13]两位学者在研究文献中研究了胶层材料对胶螺混合连接接头的性能影响。白瑞祥、郭兆璞等人[14-15]对复合材料层合板、壳胶铆混合连接件进行了有限元分析；从中可以发现，现有大部分的研究人员的研究还不够深入，所以，复合材料机身蒙皮混合修理的研究是十分具有现实意义的。

1.2 本文主要研究内容

本文基于ANSYS12.0主要对复合材料胶铆混合修理进行有限元仿真分析，以复合材料机身蒙皮的单侧贴补法为研究背景，以复合材料含穿透性孔损伤的层合板为基本模型，对胶铆混合修理进行力学性能特性分析，研究胶铆混合修理对复合材料模型的应力分布的影响。

2 有限元模型

2.1 力学性能参数选择

根据相关文献和实验结论，胶接修理效果并不随着胶层厚度的增加一直提高，通常胶层厚度取0.1mm-0.15mm，为方便建模，论文中胶层厚度取0.1mm。胶层材料采用 EC3448，其力学性能参数如表2-2所示。

2.2 胶铆混合修理有限元建模

胶铆混合修理有限元模型中，层合板、胶层和补片都采用扫掠式网格划分方法，胶层和层合板及补片的接触类型为Bond（always）接触，铆钉和其他部件的接触部位定义的接触类型为standard接触。胶铆混合有限元模型中各部件的有限元模型如图2-2所示，图2-3是各部件的网格划分状态。

3 加载和结果分析

胶铆混合修理模型先对层合板四周进行固支，再对铆接模型的钉头所在的一侧平面进行外部加载大小为0.06MPa的均布载荷。然后进行分析计算，得出相关的应力云图。图3-1显示了层合板每一层的应力分布云图。

由8层层合板每一层的Von-mises等效应力云图易知每一层的应力分布，应力较大的区域分布在四周固支区域和补片贴补区域边缘区域，四颗铆钉的引入没有明显改变低应力区的分布，同时可以通过应力云图可以得知每一层的最大最小应力，如表3-1所示。

由表3-1易知，胶铆混合修理的复合材料铺层最大应力发生在第6层，大小为4479MPa，胶层铺层最大应力发生在第2层，大小为223.592MPa。胶铆混合修理用于胶接的单层胶层的等效应力图如图3-2，胶层的剥离应力图如图3-3所示。

由图3-2和图3-3易知，胶层的最大等效应力为60.355MPa，最大剥离应力为42.511MPa，最大剥离应力已经大于胶层所允许的最大应力6.8MPa，故胶层已经发生破坏失效。

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（作者单位：中国民航大学航空工程学院）