随着复合材料日渐主导航空器材料的使用,与之对应的复合材料胶接修补也得以大量应用。复合材料斜胶接修补是复材胶接修补中广泛采用的一种高效方式。现有文献对复合材料斜胶接修补结构研究不足,如理论方法精度较差、修补后的结构抗冲击性能研究欠缺等。因此,本文进行了四部分研究:基于半解析法的初步设计方法研究,有限元优化设计方法研究,面内承载能力、损伤机理及半解析法的验证研究,以及低速冲击损伤机理及冲击后承载能力研究。首先,进行了基于改进的半解析法MAM(Modified Semi-analytical Method)的初步设计方法研究。通常,采用有限元建立复合材料斜胶接结构的数值模型,计算获得不同铺层对接处胶层的应力分布。本文基于Harman最新推导出的控制方程,在复材中引入局部微元并按刚度分配原则得到微元的应力,利用有限差分法求解出胶层应力分布,得到改进的半解析法MAM,解决了Harman方法的几个不足。MAM的优点:相对Harman的方法,降低了0°层对接处胶层的剪应力峰值与FEM的误差;可得到全部胶层剪应力峰值;解决了Harman方法胶层剪应力沿斜接线分布不对称问题。第二,提出了采用优化补片铺层的方法来减少母材去除量。工程中一般采用减小斜接角度方法避免或降低应力集中,但是随着板厚的增加,需要去除的母板材料会急剧增多。本文通过Isight及Abaqus商用软件,采用试验设计的方法对斜接角度、胶层厚度、补片铺层角度各参数的敏感性和交互性进行了系统分析。并提出采用遗传算法优化补片铺层角度来降低胶层应力集中的思想。基于优化后的结果,本文提出利用蒙特卡洛描述抽样法进行了优化结果的稳健性分析,优选出了更稳健的补片铺层角度方案。针对试验件模型进行了铺层优化设计,在不改变斜接角度的前提下通过优化补片铺层使胶层应力集中显著降低。第三,针对复合材料斜胶接修补结构进行了拉伸承载能力及失效机理的试验及数值研究。首先通过复合材料斜接结构的面内拉伸载荷试验研究,获取结构的拉伸承载能力,掌握了拉伸载荷工况下的失效模式。然后通过建立有限元模型,对该结构的拉伸及压缩承载能力及损伤演化过程进行相关数值分析,发现了90°基体开裂、±45°基体开裂、分层、胶层内聚破坏及胶层粘附破坏等损伤模式出现的竞争先后顺序。最后通过试验结果进一步验证了本文提出的改进的半解析法MAM的合理性。第四,针对复合材料斜胶接修补结构进行了低速冲击损伤试验研究及相关数值模拟,考虑了不同冲击能量和冲击位置的影响。发现对于本文所研究的试样及边界条件,临界能量(23J)以下主要以复合材料层间损伤为主,临界能量以上除了层间损伤还有胶层的内聚破坏和粘附破坏,且胶层损伤由背部尖端位置沿胶层向里扩展。冲击过程分为4个阶段——阶段Ⅰ:冲击载荷线性增长无损伤阶段。阶段Ⅱ:冲击载荷突降复材损伤起始及快速扩展阶段。阶段Ⅲ:冲击载荷再次上升复材损伤继续扩展阶段。阶段Ⅳ:冲击载荷非线性下降无损伤回弹阶段。冲击能量23J以上时,冲击载荷-挠度曲线在第Ⅳ阶段伊始出现了冲击载荷突降现象,这是由于胶层损伤引起。胶接区域五个典型冲击位置中,中心点冲击损伤最大,冲击敏感性最高。第五,对复合材料斜胶接修补结构冲击后的拉伸承载能力及失效机理进行了试验和相关数值研究。发现低于临界能量(23J)时只有复合材料的损伤,冲击后承载能力无明显下降。高于临界能量(23J)时,冲击后剩余承载能力较完整修补结构的承载能力下降29%~40%,中心位置冲击后胶层损伤最大,胶接区域中心位置冲击后剩余承载能力下降最明显。冲击后拉压失效机理与原修补结构拉压失效机理不同之处是:冲击后拉伸时90°和±45°基体开裂较少;冲击后压缩时冲击产生的分层有进一步少量的扩展。最后,通过拟合冲击后拉伸承载能力的试验值,给出可供设计人员参考的复合材料斜胶接修补的经验公式。