范江海，章向明

(海军工程大学理学院，湖北 武汉 430033)

0 前言

在国外，复合材料修补技术已经日臻成熟，并应用于各型飞机、船舶及各种管道的损伤修复中。近年来，我国在复合材料修补技术方面的研究有了长足发展，如在飞机蒙皮、钢筋混凝土结构、桥梁钢结构、输油管道等损伤中都有一些应用研究。本文通过有限元软件分析了船用钢板损伤的复合材料补片修复效果。

1 基本参数及有限元模型

1.1 基本参数

船舶钢板损伤有多种形状，本文针对其中一种含菱形孔损伤的矩形钢板进行研究。钢板和补片的材料参数及几何尺寸分别见表1、表2。

表1 钢板材料参数及几何尺寸

钢板厚度分别取1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm进行分析。

表2 补片材料参数及几何尺寸

补片宽度分别取20mm、28mm、34mm、42mm、50mm进行分析。开孔几何尺寸见表3，菱形孔边长为5mm，位于钢板几何中心。

表3 菱形开孔几何尺寸

1.2 有限元模型

复合材料补片修复菱形开孔钢板几何尺寸，如图1所示。

图1 有限元模型

由于问题是轴对称的，有限元分析时取1/4模型进行计算。钢板采用solid45号实体单元进行映射网格划分;复合材料补片采用shell41号膜单元进行映射网格划分。

为了简化计算，对有限元模型作如下假设:实行双面修补，两面补片的尺寸和材料性质完全一致，不考虑修补后结构的弯曲;假设补片与损伤钢板之间是理想粘接，不考虑实际修复中的胶接层;假设复合材料补片处于单向受力状态;复合材料补片纤维方向平行于受力方向。

2 损伤钢板修补后的力学性能分析

2.1 修复效果表征

为了更好地对比修复前后的修复效果，采用相对强度、相对刚度、屈服载荷提高率和孔边最大应力衰减率，来表征钢板修复后的力学性能改善。……