手機直線：
咨詢熱線：0571-56211150
復合材料由于具有比剛度高、比強度大和可設(shè)計性強等優(yōu)點，在飛機主承力結(jié)構(gòu)上獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。但是復合材料層板結(jié)構(gòu)的抗沖擊阻抗、抗沖擊韌性低，且在使用過程中不可避免的會受到冰雹、鳥撞、跑道沙石等物體的沖擊，從而造成層板內(nèi)部不可見的分層損傷，導致結(jié)構(gòu)的壓縮強度急劇降低，嚴重損害了復合材料結(jié)構(gòu)的使用安全性。因而對受損復合材料結(jié)構(gòu)的修補問題日益突出，成為當前飛機維護使用中亟待解決的重要問題。
對受沖擊損傷復合材料層板，挖補修理是一種非常有效的結(jié)構(gòu)修理方法。修補過程為，先將受損部分挖去，留下一個具有錐度的孔，然后再用復合材料補片通過膠接的方法將其修補完整。
它對于修理曲率較大或有氣動外形要求的表面具有一定的優(yōu)越性，而且由于不存在偏心載荷，補片的剝離應(yīng)力較小，可以最大限度的恢復結(jié)構(gòu)的強度，因而在復合材料結(jié)構(gòu)維修中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。從上個世紀80年代以來不少學者開始關(guān)注復合材料挖補修理研究，進行了一系列的試驗工作。1984年，Jones，J.S.和Graves，S.R.對受損Celion/LARC-160復合材料層板的挖補修理結(jié)構(gòu)做了大量的試驗工作，特別對壓縮載荷作用下的破壞載荷、破壞模式作了詳細地探討，指出挖補修理方法可以恢復未損傷層板80%左右的強度。
1995年，M.S.Found和M.J.Friend對挖補修理結(jié)構(gòu)進行試驗研究，比較濕鋪貼和使用預浸料2種修補方式的修補效果，指出現(xiàn)場濕鋪貼修理至少可以提高未修補板破壞載荷的24%，采用預浸料修補可以得到更高的強度恢復系數(shù)。2001年，孟凡顥等對復合材料挖補修理結(jié)構(gòu)進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)挖補修理可以使損傷件的強度恢復到完好母板的90%以上。理論分析方面在相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法進行了初步探討。由于挖補結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)形比較特殊，膠層厚度相對很薄且處于復雜的三維應(yīng)力狀態(tài)，導致在有限元計算中對膠層的處理非常關(guān)鍵。1998年，C.Soutis和F.Z.Hu在斜接式搭接研究的基礎(chǔ)上，對挖補修理結(jié)構(gòu)進行有限元計算，其中復合材料母板、補片和膠層均采用8節(jié)點體元建模。但是這種方法的通用性不好，因為膠層厚度相對很薄，用8節(jié)點體元模擬很容易造成單元體3個方向尺寸相差過大，導致其剛度矩陣出現(xiàn)奇異。若要避免剛度矩陣出現(xiàn)奇異，則需要過密地劃分膠層單元，這又勢必帶來無法承受的計算工作量。2001年，孟凡顥等也采用有限元法對復合材料挖補修理結(jié)構(gòu)進行研究，膠層用16節(jié)點節(jié)理單元來模擬，節(jié)理單元實際上是連續(xù)體單元在厚度趨于零時的一種極限情況，這樣處理避免了有限單元的奇異性，同時減少了單元數(shù)目，簡化了運算。但是節(jié)理單元不能考慮膠層內(nèi)應(yīng)力的變化情況，計算結(jié)果也沒有與試驗結(jié)果對比。
基于Patran/Nastran大型有限元軟件對復合材料層板的挖補補強結(jié)構(gòu)進行細節(jié)應(yīng)力分析，在膠層以及靠近膠層的層板部分采用五面體等參元來模擬，其余部分用六面體等參元來劃分，這樣有效避免了單元的奇異性，并精確計算出結(jié)構(gòu)內(nèi)部各點的應(yīng)力狀態(tài)。繼而，引入Tsai-Hill強度準則和最大剪應(yīng)力破壞判據(jù)對挖補補強后的結(jié)構(gòu)進行了壓縮強度預報。此外，通過PCL語言(Patran Com-mand Language)實現(xiàn)了挖補結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，通過詳細探討修補參數(shù)的影響規(guī)律，得出若干具有實用價值的結(jié)論。
挖補結(jié)構(gòu)有限元模型及剩余強度計算復合材料層板挖補修理結(jié)構(gòu)如圖所示，受單向或雙向的壓縮載荷作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，本文取1/4板作為研究對象，進行三維有限元建模計算。由于挖補修理角度(簡稱挖補角)比較小，且膠層厚度相對于層板尺寸非常小，因此幾何結(jié)構(gòu)比較復雜。為了有效地避免有限單元的奇異性，劃分單元之前，先對挖補結(jié)構(gòu)進行分塊處理，將補片和母板分別分成2部分，靠近膠層的部分(補片2和母板2)以及膠層采用五面體等參元來模擬，其余部分采用六面體等參元模擬。公共面上保證單元間的協(xié)調(diào)性，并消除重復節(jié)點。修補結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分如圖所示。
通過Patran/Nastran有限元計算，可以得到模型中各單元的各個節(jié)點的應(yīng)力在總體坐標下的6個分量，即σx，σy，σz，τxy，τyz和τzx。由于6個應(yīng)力分量中σx，σy和τxy起主導作用，其余3個應(yīng)力分量值相對很小，可以略去不計。因而近似認為復合材料板處于平面應(yīng)力狀態(tài)，可采用經(jīng)典層合板理論對其進行剛度計算，求出有限單元各節(jié)點上的應(yīng)變分量εx，εy和γxy，進而根據(jù)應(yīng)變連續(xù)的假設(shè)以及節(jié)點的空間位置確定單元內(nèi)各單層板的面內(nèi)平均應(yīng)變值，從而可以求出各單層板在材料主方向上的應(yīng)力值σ1，σ2和τ12，最后結(jié)合Tsai-Hill強度理論求解單層板的強度。膠層為各向同性材料，其破壞模式主要是沿膠接面的剪切破壞，因此需要將膠層單元的空間應(yīng)力等效到沿膠接面的剪應(yīng)力，采用最大剪應(yīng)力破壞準則進行強度求解。
專業(yè)從事有限元分析公司│有限元分析│CAE分析│FEA分析│技術(shù)服務(wù)與解決方案
杭州那泰科技有限公司
本文出自杭州那泰科技有限公司www.hnyunhua.com，轉(zhuǎn)載請注明出處和相關(guān)鏈接！