補片形狀對復合材料結構膠接修理效果的影響

李小雷

摘要：以圓孔型損傷為例，采用三維有限元模型分析了復合材料膠接修理時補片形狀對其承載能力的影響。結果表明，在膠層面積、補片材料和修理工藝等參數不變的前提下，圓形補片比矩形補片能顯著提高復合材料結構膠接修理的承載能力；對于相同的矩形補片，當其長邊平行于外力方向時更有利提高復合材料結構膠接修理的承載能力。

關鍵詞：補片形狀；復合材料；有限元法；膠接修理

中圖分類號：TG494 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）08-0049-03

1 前言

膠接修理是復合材料結構修理中最常見的修理方式之一，其基本的修理方法可以分為貼補和挖補2種[1，2]。與挖補修理相比，貼補修理技術具有操作簡單、對原結構打磨少等優點，所以在飛機復合材料結構應急修理中應用較多。當采用貼補方法修理受損的復合材料結構時，補片形狀的選取是修理方案設計中要考慮的問題之一。對于圓孔型損傷，補片通常被加工成圓形或矩形。在膠層面積相同的情況下，補片形狀的變化對復合材料膠接結構承載能力的影響研究很少[3，4]。本文以圓孔型損傷為例，分析補片形狀的變化對飛機復合材料膠接修理承載能力的影響，最后對補片形狀的選擇提出參考意見，為合理設計復合材料貼補修理方案提供依據。

2 有限元模型的建立

2.1 圓形補片的情況

選用T300/QY8911碳纖維增強復合材料作為層合板母板，其尺寸為300 mm（沿外力方向）×160 mm×2.4 mm；每鋪層厚度為0.12 mm，鋪層順序為[±45/0/90/±45/0/90/±45]s；圓孔型損傷位于板中央，其直徑為40 mm。補片材料同母板，補片直徑為100 mm，厚度同母板厚度。膠層材料為FM73M，E=2.80 GPa，ν=0.38，G=1.06 GPa，剪切強度S=34.1 MPa，剝離強度T=5.0 MPa，膠層厚度為1.5 mm。

為提高計算效率，利用對稱性建立幾何模型，采用ANSYS提供的8節點3D實體單元Solid46模擬T300/QY8911復合材料，采用各向同性體元Solid Brick 45來劃分膠層，其網格劃分后如圖1所示。在復合材料層合板對稱面的節點上施加面對稱約束條件，在一端面施加拉伸均布載荷。

2.2 矩形補片的情況

除矩形補片的尺寸與圓形補片不同外，其他參數均與圓形補片修補的情況相同。在膠層面積相同的情況下，矩形補片的尺寸為100 mm×78.5 mm×2.4 mm，其長度同圓形補片直徑。其1/4模型的有限元模型如圖2所示，其中圖2（a）是矩形補片長邊與外力方向垂直的情況（情況1），圖2（b）是矩形補片長邊與外力方向平行的情況（情況2）。

3 計算結果和分析

由于所有復合材料層合板膠接修理結構均由母板、補片和膠層組成，因此，膠接修理的失效模式可以分為：母板失效、補片失效和膠層失效。又因母板和補片均為復合材料層合板，所以，評定飛機復合材料膠接修理是否滿足強度要求時，需同時考慮膠接體失效和膠層失效。復合材料膠接體采用Hashin失效準則，而膠層采用最大剪切應力失效準則，得出飛機復合材料膠接修理后的承載能力。

3.1 膠層剪應力對比分析

根據有限元分析結果可知，膠層失效是引起復合材料貼補修理最終破壞的原因，因此，重點研究其他參數不變的前提下不同補片形狀對膠層剪切應力的影響。圖3和圖4分別是圓形補片模型和矩形補片模型下所對應的膠層剪切應力圖。

由圖3和圖4可知，不管是圓形補片還是矩形補片模型，其膠層剪切應力絕對值的最大值都是在膠層內側區且與外力平行的孔2端處；相對于矩形補片的情況，圓形補片對應的膠層剪切應力分布更均勻；對于相同的矩形補片，其布置位置不同，膠層剪切應力也不同（如圖4所示）。

3.2 修理結構承載能力對比分析

在其他條件不變的基礎上，討論補片形狀變化對復合材料膠接修理后承載能力的影響。補片形狀分別取圓形補片和矩形補片進行了計算，結果見表1。

從表1可知，在膠層面積相同的情況下，圓形補片時承載能力最好，矩形補片且長邊平行于外力方向時承載能力次之，矩形補片且長邊垂直于外力方向時承載能力最差。由于長方形補片加工比圓形補片方便，所以，實際修補中被經常用到。如果采用矩形補片修補復合材料結構，建議將矩形長邊平行于外力方向，這樣可以提高結構承載能力。

4 結論

通過三維有限元法分析了補片形狀對復合材料結構膠接修理的影響。結果表明，膠接內邊緣區域是膠層中的最大剪應力區；在其他條件不變的情況下，圓形補片修理后的復合材料結構承載能力最好，長邊平行于外力方向的矩形補片次之，長邊垂直于外力方向的矩形補片最差。

參考文獻

[1]鄭立勝，李遠才，董玉祥.飛機復合材料粘接修理技術及應用[J].粘接，2006，27（2）：51-52，58.

[2]代永朝，鄭立勝.飛機結構檢修[M].北京：航空工業出版社，2006：250-252.

[3]姚磊江，童小燕，董善艷.損傷復合材料層板膠接修理強度分析[J].機械科學與技術，2005，24（6）：676-678.

[4]向法武，李曙林，石曉鵬，等.損傷復合材料膠接修理后承載能力的有限元分析[J].機械工程材料，2012，36（8）：101-104.