李绍春,熊峻江

(北京航空航天大学飞行器运用系,北京100191)

复合材料胶接修补件力学性能的实验研究与数值模拟

李绍春,熊峻江

(北京航空航天大学飞行器运用系,北京100191)

进行复合材料修补的铝合金板的静强度实验,测定载荷-位移曲线,分析破坏机理,并讨论了胶层材料性能、复合材料补片性能与厚度等因素对修补件静强度的影响;建立了修补件的三维有限元模型,模拟修补件的载荷-位移曲线和应力分布,验证了模型的有效性;根据应力分布计算结果和失效准则,预测初始损伤及裂纹产生的位置,并估算破坏强度,预测结果与实验数据吻合良好。

胶接修补;复合材料补片;力学性能;数值模拟;破坏预测

载荷和环境等因素作用,以及材料与结构固有的初始缺陷,常常会导致飞机结构的损伤,比如机体裂纹和表面腐蚀损伤等,如未能及时发现并加以修理,必然会导致严重的后果。为了恢复损伤结构的使用功能和结构完整性,需对这些损伤结构进行合理的修理甚至更换。飞机结构的复合材料修补始于20世纪70年代初期,澳大利亚航空和海运研究室(AMRI)的Baker博士首先采用炭纤维增强塑料(CFRP)和硼纤维增强塑料(T3FRP),修补了澳大利亚皇家空军的大力士C-130、幻影 F-111、麦卡奇等飞机结构;此后,美国于20世纪80年代也使用复合材料对C-141飞机结构和C-141T3型武器系统进行了修补[1-3]。与传统机械铆接或焊接方法相比,复合材料修补具有明显的优势:(1)复合材料补片的形状易成型;(2)维修方便,且维修时间与周期缩短,降低成本、提高效率;(3)显著改变应力传递路径,并降低裂纹尖端的应力强度因子,改善结构的长期耐久性;(4)复合材料补片质量轻、耐腐蚀和抗磨损性能良好。……