复合材料补片胶接补强修补技术参数分析

本文针对复合材料与金属结构穿透型损伤外贴复合材料补片胶接修补方式 ,采用“双板 -弹簧”有限元修正模型 ,进行了各修补参数 (补片直径、厚度、修补形式以及胶层厚度等 )对修补效率的影响分析。主要结论 :(1)补片直径对修补效率的影响非常小 ;(2 )单面修补取补片厚度为 5 0 %母板厚度 ,双面修补取 80 %是合理的 ;(3)胶层厚度通过影响胶层内最大剪应力大小影响修补效率 ;(4 )修补参数相同情况下 ,被修补结构的尺寸影响修补效率 ;(5 )金属修补与复合材料修补具有相同的曲线规律     

碳纤维布胶接修复含裂纹钢管仿真分析

在胶接修复工艺中,裂纹的形式和不同的胶接方案影响结构的修复效果.以裂纹尖端应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)为依据,分别对含有2种裂纹形式的钢管进行了仿真分析,探讨钢管的裂纹大小、碳纤维布的长度和层数对胶接修复强度的影响.分析结果表明,增加碳纤维布长度可以有效提高修复结构的强度,当长度超过有效胶接长度后,提高幅度不明显.裂纹面积所占比例越大,裂纹处应力集中程度越高,胶接碳纤维布的修复效果越显著.2层碳纤维布胶接修复对SIF的增长抑制效果比1层碳纤维布提高了10％以上,对于圆周裂纹损伤程度较小时,使用1层碳纤维布修复已能有效改善钢管的结构性能,对于圆弧裂纹和损伤程度较大的圆周裂纹,建议使用2层碳纤维布修复.     

碳纤维布胶接修复含裂纹钢管仿真分析

在胶接修复工艺中,裂纹的形式和不同的胶接方案影响结构的修复效果.以裂纹尖端应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)为依据,分别对含有2种裂纹形式的钢管进行了仿真分析,探讨钢管的裂纹大小、碳纤维布的长度和层数对胶接修复强度的影响.分析结果表明,增加碳纤维布长度可以有效提高修复结构的强度,当长度超过有效胶接长度后,提高幅度不明显.裂纹面积所占比例越大,裂纹处应力集中程度越高,胶接碳纤维布的修复效果越显著.2层碳纤维布胶接修复对SIF的增长抑制效果比1层碳纤维布提高了10％以上,对于圆周裂纹损伤程度较小时,使用1层碳纤维布修复已能有效改善钢管的结构性能,对于圆弧裂纹和损伤程度较大的圆周裂纹,建议使用2层碳纤维布修复.     

基于有限元法的飞机蒙皮裂纹加强补片优化设计

胶接增强修复补片的可设计性是胶接技术的优点之一,科学设计飞机结构损伤部位的增强补片是保证修补效果的重要因素。本文利用 ANSYS 软件对飞机2024蒙皮裂纹复合材料增强补片进行三维有限元建模与仿真计算,计算了复合材料单级补片和多级补片边缘胶层最大剪应力,给出了飞机2024蒙皮裂纹单侧修补时的补片优化设计参数。计算表明,用复合材料增强修补铝合金蒙皮裂纹时,补片应设计成多级形式;当补片级数超过5级时,补片边缘的胶层剪应力显著减小,与单级补片相比,其最大剪应力下降了85%。     

复合材料胶接修补技术的实验研究

通过静强度和疲劳寿命对比试验,证实了在含裂纹的铝合金的裂纹部位,胶接碳／环氧复合材料补片的修理方法的可行性和有效性。实验结果表明,裂纹板经胶接修补后,其静强度和疲劳寿命均有显著的提高,这为实际结构的胶接修补工作积累了可靠的实验数据。     

补片形状和尺寸对复合材料胶接修补的影响

与传统的机械修补技术相比,复合材料胶接修补具有结构增重小、可设计性强、成形简单和成本低等明显的优点。因此,复合材料胶接修补技术已成功地应用于一些军用和民用飞机的受损结构。借助于ANSYS软件,以三维逐渐损伤理论为依据,分别建立含不同形状补片的复合材料胶接修补模型,其中母板和补片采用正交各向异性损伤模型,胶层采用各向同性损伤模型。在单向拉伸载荷作用下,同时考虑层合板和胶层的损伤形式和扩展趋势,确定层合板的最终失效载荷,并与已有文献进行对比,验证模型的正确性。损伤模型计算结果表明,补片的形状和尺寸均是胶接修补的重要设计参数,其对层合板的最终失效载荷影响显著。斜放的方形补片的修补效果较佳,当对方形补片进行圆角化处理时,受损层合板的拉伸承载能力得到提高。     

复合材料层合板修补结构高速冲击分析

复合材料以其优异的综合性能,在航空航天和防护装备等领域得到广泛应用,胶接修补是复合材料出现损伤、破坏时优先使用的修补方法。对复合材料层合板胶接修补结构在冲击过程中的不同形状和尺寸补片对修补效果的影响,以及1号补片修补结构在修补过程中层合板材料失效情况进行了研究。层合板采用最大应力失效模式,并与已有文献进行对比,验证模型正确性。计算结果表明,在高速冲击过程中,在子弹穿透层合板之前,层合板发生纤维断裂失效,分层失效伴随整个冲击过程。补片的形状和尺寸对修补效果产生重要影响,其中2号补片修补效果最好。     

胶层厚度对胶粘剂Ⅰ型断裂韧性影响试验和仿真研究

同传统结构连接方式相比,胶接技术具有诸多优势,在各个工业领域得到了广泛应用。胶层在胶接结构载荷传递过程中起着关键作用,对其内部裂纹扩展机理的研究就显得尤为重要。采用胶接双悬臂梁试验和内聚力模型数值仿真相结合的方法,研究胶层厚度对胶粘剂Ⅰ型断裂韧性的影响规律。为了克服双悬臂梁试验中裂纹长度精确监测的困难,开发了基于柔度的梁方法对试验数据进行分析,进而得到Ⅰ型断裂韧性数值。引入双线性内聚力模型对胶层裂纹扩展过程进行模拟,通过分析试验与数值模拟得到的载荷-位移曲线、R曲线和Ⅰ型断裂韧性数据,验证了有限元模型的准确性。结果表明,胶层厚度对胶粘剂正应力工况下断裂特性有着显著影响,在所研究胶层厚度范围内,随着厚度增加其Ⅰ型断裂韧性先增大后减小,失效模式则由内聚失效转变为混合失效。     

胶层厚度对胶接波纹板三点弯曲力学性能影响研究

三明治波纹板采用轻质化和薄壁化的结构设计方法，可以作为承载和吸能结构应用于汽车底盘前纵梁、车身Y字梁等，而现有文献缺少针对胶层厚度对波纹板性能影响的研究。通过制备胶接波纹板并开展三点弯曲工况准静态加载失效试验，分析了不同胶层厚度对三明治波纹板整体承载和吸能特性的影响规律。试验发现，不同胶层厚度下铝合金胶接波纹板结构承载能力和破坏样貌存在差异，相比于0.5 mm和1.0 mm,0.2 mm胶层厚度的三明治结构的各项力学性能和稳定性较好。随后建立胶接波纹板三点弯曲加载有限元模型，实现了对波纹板整体加载变形过程和胶层损伤的模拟，通过与试验结果对比验证了有限元建模方法的有效性，为轻质金属胶接波纹板结构设计和性能评价提供可靠方法。     

复合材料再制造胶接对裂纹扩展的影响

论述了疲劳性能的重点指标裂纹扩展速率,利用有限元软件Ansys对再制造胶接前后结构建模,运用参数化设计语言APDL命令KCALC计算裂纹尖端应力强度因子,研究了不同因素对应力强度因子变化幅值ΔK的影响,进而分析对裂纹扩展速率的抑制程度。结果表明,复合材料再制造胶接技术能有效抑制裂纹的扩展,提高结构疲劳性能。     

损伤复合材料层板胶接修理试验研究

胶接修理是弥补复合材料结构在制造和服役过程中产生的损伤与缺陷的主要方法之一。文中通过强度试验研究在复合材料层板外表面粘接复合材料补片这种临时修理方法的实际效果，并讨论主要修理参数——补片直径、厚度、铺排方式的影响。     

损伤复合材料层板胶接修理强度分析

对于飞行器复合材料结构在制造和服役中产生的缺陷损伤,一种常用的外场临时修理方法是在受损结构的外表面胶接复合材料补片来进行补强。本文采用“双板—弹簧元”和“三板—弹簧元”修正有限元模型分别对层合板的穿透型损伤和半穿透型损伤的临时修理进行强度分析,并进行了相关的强度试验验证。根据计算和试验结果对补片直径、厚度等修理参数对修理效果的影响进行了分析,并提出了合理选择修理参数的一般原则。     

损伤复合材料层板胶接修理的优化设计

针对复合材料单面胶接修理结构建立力学分析模型,并通过试验验证模型的可靠性.利用该模型分析补片参数对胶接修理效果的影响,得到优化设计的补片参数.计算分析和验证试验均表明,补片直径为孔径的2～3倍、厚度为孔深的45%～60%、铺排和母板一致时,修理结构的强度恢复能达到最大值.     

复合材料修补结构疲劳寿命分析方法研究

结合工艺方法,研究典型缺陷损伤的修理方法,针对复合材料修补结构应力分布复杂的特点,在剩余强度衰减模型的基础上引入局部应力应变法的分析思想,建立起复合材料修补结构的疲劳寿命预测模型。通过建立修补结构的力学分析模型,在分析了修补结构的危险部位和应力集中的基础上,利用寿命预测模型,分析和讨论补片直径和补片厚度两个修补参数对修补结构疲劳寿命的影响规律。     

Bending analysis of a laminated composite patch considering the free-edge effect using a stress-based equivalent single-layer composite model

The interlaminar stresses of a laminated composite patch, which is made up of reinforcing fibers (carbon/graphite) and epoxy matrix are analyzed using a stress-based equivalent single-layer model under a bending load. The composite patch is frequently used as reinforcement for a metallic adherend of mechanical/aerospace structures (i.e., aluminum alloy, etc) by attaching the film- or paste-type adhesive (i.e., epoxy, BMI, etc). To calculate the adhesive stresses transferred from the substrate, an interlayer model is introduced. The adhesive stresses are obtained by solving the equilibrium equations. The stress fields of the patch are determined by assuming certain stress functions. To satisfy the equilibrium state of the patch, the stress functions are divided into homogeneous and particular parts. The adhesive stresses act as prescribed stress boundary conditions of the laminated composite patch. The stress functions are substituted into a complementary virtual work principle, and from this, two coupled ordinary differential equations are obtained. General eigenvalue problems are derived to solve the coupled governing equations. To demonstrate the validity and efficiency of the proposed method, cross-ply, angle-ply and quasi-isotropic laminated composite patches are studied. From the observations made, the authors found that the stress function-based approach is suitable for solving the stress prescribed boundary value problem with accuracy and efficiency compared to a displacement-based approach such as the finite element method. The proposed method can be used as an efficient tool in the initial design stage of structural components when it is necessary to consider the free-edge effect.     

胶接修补结构在多向载荷作用下的极限强度

目前在国内外开展的复合材料及金属的胶接修补研究中 ,计算与试验都是采用单向加载方式。但在工程实际中需要修补的区域一般承受多向载荷。本文采用“双板 -弹簧”有限元修正模型 ,对多向载荷作用下的修补问题进行了研究。结果表明 ,在大多数情况下单向加载状态获得的极限强度恢复程度是偏保守的结果。     

高温环境复合材料螺栓连接振动的防松试验

具有耐高温、轻质、高强等特点的复合材料及其连接结构可满足航空航天领域的迫切需求,已广泛应用于工程中。为比较高温振动环境下不同复合材料螺栓连接形式的防松效果,进行了常/高温条件复合材料搭接板的随机振动试验研究。以搭接结构固有频率为评判量,通过对比试件承受振动载荷作用前后的固有频率变化,研究了常/高温环境下高温胶、双螺母防松形式,以及沉头螺栓张角等因素在给定随机振动载荷下对搭接结构连接刚度的影响。研究结果表明:常温随机振动条件下双螺母防松、60°沉头螺栓的防松性能更好;高温环境下,高温胶防松、30°沉头螺栓连接形式性能较优。     

胶层脱粘对金属胶接修理后剩余强度的影响研究

本文主要研究了胶层脱粘对金属平板复合材料补片胶接修理后拉伸剩余强度的影响。首先根据补片下方剪应力分布解析公式,将胶接修理区域划分为脱粘安全区和脱粘影响区,然后进行了金属平板结构胶接修理的剩余强度试验以研究胶层脱粘的影响,并验证理论分析结果。结果表明:在脱粘安全区内,胶层自身不参与承载,胶层脱粘对金属平板结构的拉伸剩余强度没有影响;而在脱粘影响区内,出现的胶层脱粘会对金属平板结构的拉伸剩余强度产生影响。