补片倒角对复合材料胶接修理后承载能力的影响

2015-11-22于克杰李小雷

机械制造 2015年4期

关键词：母板胶层合板

□ 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。