复合材料受损板胶结修补参数分析与设计

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工程中层合板所用材料一般属于纤维增强复合材料,它是通过较复杂工艺使增强纤维嵌入到连续的基体中而制备成的。由于纤维具有较高的强度与刚度,而树脂等常用基体又具有化学惰性,因此使得整个纤维增强材料同样性能不凡:除了具有很高的强度刚度外,在抗疲劳、抗腐蚀等方面也远胜于金属材料。加上复合材料本身质量较轻,还可以降低雷达反射面积,因而,复合材料在航空航天等飞行器结构中的应用与日俱增。然而无论材料性能有多么优异,在实际制造或是飞机飞行过程中难以避免地也会有损伤的出现。比如高速飞行时受到鸟类、砂石、冰雹、工件跌落或是子弹等的撞击,便会形成损伤坑或是损伤孔。为了免去更换材料所带来的巨额成本,就需要对其进行修补。而胶结修补作为简便可行的一种修复手段,备受广大专家学者青睐,本文正是基于这一工程实际问题而展开的。以往文献中已有种种与此课题相关的理论研究或是试验结果,然而前人的研究多是关注修补之后受损板的最终强度恢复问题,也就是最终抗拉载荷的大小,并没有细致入微地去探讨修补对其内部失效过程的影响。本文为了深入研究层合板内部损伤机理,并在此基础上考虑修补对拉伸中各失效形式的改善情况,于是采用三维逐渐损伤理论,将材料在拉伸过程中的失效分为几个阶段来加以讨论,具体内容有以下几点:1.根据穿透型与半穿透型两种损伤形式,分别用参数化编程的方法建立了包含三维逐渐损伤理论的受损及修补模型,然后采用常用的两种材料对模型的精度加以验证,以确保模拟的合理性。2.程序精度得到肯定之后,对受损板及修补板整个拉伸过程进行了全面仿真。并针对失效过程中典型的三个阶段,取出板内各层单元的多种失效情况进行对比,得出修补对失效过程的直观影响。3.针对初始失效这一阶段,列出了补与不补时候层内应力的分布云图,并讨论得出了修补对应力集中问题的改善情况。4.分别就胶结修补可能对结果造成影响的几个参数进行了多次计算,如改变补片的直径、厚度甚至铺层角度等一系列参数,同样予以拉伸失效的全过程模拟。最后得出了这些参数对修补板中间失效形式的具体影响,为实际胶结修补时补片的选择问题提供了富有价值的参考。综合以上研究,得出的主要结论有:修补之后,每种失效单元数量均显著下降,也就是说板的整体性能得到了提升;修补能够大幅降低应力集中现象,由原来的孔边90度方向主要受载转化为整个孔边平衡受载;补片直径及厚度的选择均有最优值,单面修补时补片最优相对直径为2.5,厚度少许即可;而双面修补最优相对直径为3.5,最优相对厚度为1/4;同时为了提高抗拉效果,应尽可能使补片中0度铺层比例较大。
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