復(fù)合材料階梯挖補(bǔ)修理中附加鋪層的優(yōu)化設(shè)計

李 艷，張獻(xiàn)逢，李召華

（空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南 信陽 464000）

挖補(bǔ)修理適用于對恢復(fù)承載能力有較高要求或者對氣動外形有較高要求的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[1]。根據(jù)原結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域的打磨外形，可分為斜面挖補(bǔ)修理和階梯挖補(bǔ)修理。其中，對于階梯挖補(bǔ)修理，影響其修理方案工藝設(shè)計的參數(shù)很多。目前大多學(xué)者分別從補(bǔ)片尺寸、鋪層方向、膠層厚度、搭接長度和高度等方面展開研究[2～4]。實際上，附加鋪層對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載能力也有影響，但關(guān)于復(fù)合材料附加鋪層的尺寸參數(shù)研究并不多[5，6]。為此，本文采用有限元分析的方法，研究了階梯挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)中附加鋪層大小、附加鋪層厚度和附加鋪層方向等對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理后承載能力的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何結(jié)構(gòu)和材料體系

復(fù)合材料階梯挖補(bǔ)修理母板尺寸為300 mm×160 mm×3.6 mm；圓孔損傷直徑為20 mm。利用對稱性，本文建立了四分之一模型，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。復(fù)合材料層合板和補(bǔ)片的材料均為碳纖維復(fù)合材料T300/QY8911。補(bǔ)片的鋪層順序與母板的鋪層順序和厚度相同，均由30個鋪層組成，每鋪層厚度為0.12 mm；附加鋪層的大小、方向和尺寸是變量。復(fù)合材料層合板和補(bǔ)片之間的膠層厚度為0.12 mm；膠層的材料為FM 300-05M，其彈性模量E為3.12 GPa，泊松比為0.38，剪切強(qiáng)度S為29.8 MPa。

圖1 復(fù)合材料階梯挖補(bǔ)修理的四分之一幾何模型圖Fig.1 One fourth of geometrical model for step-lap repairing of composite

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2給出了階梯形挖補(bǔ)修理的整體模型網(wǎng)格劃分。因為含孔復(fù)合材料層合板修補(bǔ)后的最終失效位置在修補(bǔ)區(qū)域，所以在圓孔周圍的網(wǎng)格劃分較細(xì)。在計算過程中，補(bǔ)片和母板之間通過膠層傳遞載荷，膠層與它們通過共結(jié)點的方式傳載。

2 計算結(jié)果分析

和多數(shù)文獻(xiàn)一樣，母板和補(bǔ)片的破壞強(qiáng)度均采用Hashin失效準(zhǔn)則判斷，而膠層的破壞強(qiáng)度采用最大剪應(yīng)力失效準(zhǔn)則判斷。結(jié)合這2個失效準(zhǔn)則得出復(fù)合材料階梯挖補(bǔ)修理后的承載能力，即有限元分析中施加于被修復(fù)損傷復(fù)合材料端部載荷的最大值。

圖2 階梯挖補(bǔ)修理的有限元模型Fig.2 Finite element model of step-lap repairing

2.1 附加鋪層大小的影響

在其他參數(shù)不變的前提下，研究補(bǔ)片附加鋪層大小對復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。不變的參數(shù)主要有：補(bǔ)片臺階寬度為3 mm，補(bǔ)片附加鋪層方向為45°，鋪1層；本文選取的補(bǔ)片附加鋪層半徑分別為0 mm（無附加鋪層）、28 mm、32 mm和36 mm。

圖3是不同附加鋪層大小對修補(bǔ)層合板承載能力的影響趨勢。由圖3可知，相對于無附加鋪層的修補(bǔ)板來說，附加鋪層可以明顯提高修補(bǔ)層合板的承載能力，而且，隨著附加鋪層尺寸的增加，修補(bǔ)板的承載能力也增加。

圖3 附加鋪層大小對復(fù)合材料修補(bǔ)承載能力的影響Fig.3 Influence of covering layer size on carrying capacity of repaired composite structure

2.2 附加鋪層厚度的影響

在其他參數(shù)不變的前提下，研究補(bǔ)片附加鋪層厚度對復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。不變的參數(shù)主要有：補(bǔ)片臺階寬度為3 mm，補(bǔ)片附加鋪層方向均為0°，補(bǔ)片附加鋪層半徑為32 mm；本文附加鋪層分別選取1層、2層和3層，其中單層厚度為0.12 mm。

圖4是不同附加鋪層厚度對修補(bǔ)層合板承載能力的影響。由圖4可知，在其他參數(shù)不變的前提下，附加鋪層厚度變厚，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)承載能力略有下降。因此，在實際修補(bǔ)操作中，可根據(jù)實際情況減小附加鋪層的厚度。

圖4 附加鋪層厚度對復(fù)合材料修補(bǔ)承載能力的影響Fig.4 Influence of covering layer thickness on carrying capacity of repaired composite structure

2.3 附加鋪層方向的影響

在其他參數(shù)不變的前提下，研究補(bǔ)片附加鋪層方向?qū)?fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。不變的參數(shù)主要有：補(bǔ)片臺階寬度為3 mm，補(bǔ)片附加鋪層半徑為32 mm，鋪1層；本文選取的補(bǔ)片附加鋪層方向分別為0°、90°、45°和-45°。

圖5是不同附加鋪層方向?qū)π扪a(bǔ)層合板承載能力的影響。由圖5可知，0°附加鋪層方向的修補(bǔ)承載能力最強(qiáng)，90°附加鋪層方向的修補(bǔ)承載能力最弱，45°和-45°附加鋪層方向的修補(bǔ)承載能力處于中間。這主要是因為0°方向附加鋪層承受拉伸載荷的能力最強(qiáng)，90°方向附加鋪層承受拉伸載荷的能力最弱。

圖5 附加鋪層方向?qū)?fù)合材料修補(bǔ)承載能力的影響Fig.5 Influence of covering layer direction on carrying capacity of repaired composite structure

3 結(jié)論

（1）有無附加鋪層對提高修補(bǔ)復(fù)合材料的承載能力有較大影響。

（2）附加鋪層厚度對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)承載能力影響不大。建議實際修補(bǔ)時貼一層附加鋪層即可。

（3）附加鋪層方向?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)承載能力有明顯影響，其中外力與鋪層方向成90°方向時承載能力最弱。