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摘要：以圆孔型损伤为例，采用三维有限元模型分析了复合材料胶接修理时补片形状对其承载能力的影响。结果表明，在胶层面积、补片材料和修理工艺等参数不变的前提下，圆形补片比矩形补片能显著提高复合材料结构胶接修理的承载能力；对于相同的矩形补片，当其长边平行于外力方向时更有利提高复合材料结构胶接修理的承载能力。
关键词：补片形状；复合材料；有限元法；胶接修理
中图分类号：TG494 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）08-0049-03
1 前言
胶接修理是复合材料结构修理中最常见的修理方式之一，其基本的修理方法可以分为贴补和挖补2种[1，2]。与挖补修理相比，贴补修理技术具有操作简单、对原结构打磨少等优点，所以在飞机复合材料结构应急修理中应用较多。当采用贴补方法修理受损的复合材料结构时，补片形状的选取是修理方案设计中要考虑的问题之一。对于圆孔型损伤，补片通常被加工成圆形或矩形。在胶层面积相同的情况下，补片形状的变化对复合材料胶接结构承载能力的影响研究很少[3，4]。本文以圆孔型损伤为例，分析补片形状的变化对飞机复合材料胶接修理承载能力的影响，最后对补片形状的选择提出参考意见，为合理设计复合材料贴补修理方案提供依据。
2 有限元模型的建立
2.1 圆形补片的情况
选用T300/QY8911碳纤维增强复合材料作为层合板母板，其尺寸为300 mm（沿外力方向）×160 mm×2.4 mm；每铺层厚度为0.12 mm，铺层顺序为[±45/0/90/±45/0/90/±45]s；圆孔型损伤位于板中央，其直径为40 mm。补片材料同母板，补片直径为100 mm，厚度同母板厚度。胶层材料为FM73M，E=2.80 GPa，ν=0.38，G=1.06 GPa，剪切强度S=34.1 MPa，剥离强度T=5.0 MPa，胶层厚度为1.5 mm。
为提高计算效率，利用对称性建立几何模型，采用ANSYS提供的8节点3D实体单元Solid46模拟T300/QY8911复合材料，采用各向同性体元Solid Brick 45来划分胶层，其网格划分后如图1所示。在复合材料层合板对称面的节点上施加面对称约束条件，在一端面施加拉伸均布载荷。
2.2 矩形补片的情况
除矩形补片的尺寸与圆形补片不同外，其他参数均与圆形补片修补的情况相同。在胶层面积相同的情况下，矩形补片的尺寸为100 mm×78.5 mm×2.4 mm，其长度同圆形补片直径。其1/4模型的有限元模型如图2所示，其中图2（a）是矩形补片长边与外力方向垂直的情况（情况1），图2（b）是矩形补片长边与外力方向平行的情况（情况2）。
3 计算结果和分析
由于所有复合材料层合板胶接修理结构均由母板、补片和胶层组成，因此，胶接修理的失效模式可以分为：母板失效、补片失效和胶层失效。又因母板和补片均为复合材料层合板，所以，评定飞机复合材料胶接修理是否满足强度要求时，需同时考虑胶接体失效和胶层失效。复合材料胶接体采用Hashin失效准则，而胶层采用最大剪切应力失效准则，得出飞机复合材料胶接修理后的承载能力。
3.1 胶层剪应力对比分析
根据有限元分析结果可知，胶层失效是引起复合材料贴补修理最终破坏的原因，因此，重点研究其他参数不变的前提下不同补片形状对胶层剪切应力的影响。图3和图4分别是圆形补片模型和矩形补片模型下所对应的胶层剪切应力图。
由图3和图4可知，不管是圆形补片还是矩形补片模型，其胶层剪切应力绝对值的最大值都是在胶层内侧区且与外力平行的孔2端处；相对于矩形补片的情况，圆形补片对应的胶层剪切应力分布更均匀；对于相同的矩形补片，其布置位置不同，胶层剪切应力也不同（如图4所示）。
3.2 修理结构承载能力对比分析
在其他条件不变的基础上，讨论补片形状变化对复合材料胶接修理后承载能力的影响。补片形状分别取圆形补片和矩形补片进行了计算，结果见表1。
从表1可知，在胶层面积相同的情况下，圆形补片时承载能力最好，矩形补片且长边平行于外力方向时承载能力次之，矩形补片且长边垂直于外力方向时承载能力最差。由于长方形补片加工比圆形补片方便，所以，实际修补中被经常用到。如果采用矩形补片修补复合材料结构，建议将矩形长边平行于外力方向，这样可以提高结构承载能力。
4 结论
通过三维有限元法分析了补片形状对复合材料结构胶接修理的影响。结果表明，胶接内边缘区域是胶层中的最大剪应力区；在其他条件不变的情况下，圆形补片修理后的复合材料结构承载能力最好，长边平行于外力方向的矩形补片次之，长边垂直于外力方向的矩形补片最差。
参考文献
[1]郑立胜，李远才，董玉祥.飞机复合材料粘接修理技术及应用[J].粘接，2006，27（2）：51-52，58.
[2]代永朝，郑立胜.飞机结构检修[M].北京：航空工业出版社，2006：250-252.
[3]姚磊江，童小燕，董善艳.损伤复合材料层板胶接修理强度分析[J].机械科学与技术，2005，24（6）：676-678.
[4]向法武，李曙林，石晓鹏，等.损伤复合材料胶接修理后承载能力的有限元分析[J].机械工程材料，2012，36（8）：101-104.
关键词：补片形状；复合材料；有限元法；胶接修理
中图分类号：TG494 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）08-0049-03
1 前言
胶接修理是复合材料结构修理中最常见的修理方式之一，其基本的修理方法可以分为贴补和挖补2种[1，2]。与挖补修理相比，贴补修理技术具有操作简单、对原结构打磨少等优点，所以在飞机复合材料结构应急修理中应用较多。当采用贴补方法修理受损的复合材料结构时，补片形状的选取是修理方案设计中要考虑的问题之一。对于圆孔型损伤，补片通常被加工成圆形或矩形。在胶层面积相同的情况下，补片形状的变化对复合材料胶接结构承载能力的影响研究很少[3，4]。本文以圆孔型损伤为例，分析补片形状的变化对飞机复合材料胶接修理承载能力的影响，最后对补片形状的选择提出参考意见，为合理设计复合材料贴补修理方案提供依据。
2 有限元模型的建立
2.1 圆形补片的情况
选用T300/QY8911碳纤维增强复合材料作为层合板母板，其尺寸为300 mm（沿外力方向）×160 mm×2.4 mm；每铺层厚度为0.12 mm，铺层顺序为[±45/0/90/±45/0/90/±45]s；圆孔型损伤位于板中央，其直径为40 mm。补片材料同母板，补片直径为100 mm，厚度同母板厚度。胶层材料为FM73M，E=2.80 GPa，ν=0.38，G=1.06 GPa，剪切强度S=34.1 MPa，剥离强度T=5.0 MPa，胶层厚度为1.5 mm。
为提高计算效率，利用对称性建立几何模型，采用ANSYS提供的8节点3D实体单元Solid46模拟T300/QY8911复合材料，采用各向同性体元Solid Brick 45来划分胶层，其网格划分后如图1所示。在复合材料层合板对称面的节点上施加面对称约束条件，在一端面施加拉伸均布载荷。
2.2 矩形补片的情况
除矩形补片的尺寸与圆形补片不同外，其他参数均与圆形补片修补的情况相同。在胶层面积相同的情况下，矩形补片的尺寸为100 mm×78.5 mm×2.4 mm，其长度同圆形补片直径。其1/4模型的有限元模型如图2所示，其中图2（a）是矩形补片长边与外力方向垂直的情况（情况1），图2（b）是矩形补片长边与外力方向平行的情况（情况2）。
3 计算结果和分析
由于所有复合材料层合板胶接修理结构均由母板、补片和胶层组成，因此，胶接修理的失效模式可以分为：母板失效、补片失效和胶层失效。又因母板和补片均为复合材料层合板，所以，评定飞机复合材料胶接修理是否满足强度要求时，需同时考虑胶接体失效和胶层失效。复合材料胶接体采用Hashin失效准则，而胶层采用最大剪切应力失效准则，得出飞机复合材料胶接修理后的承载能力。
3.1 胶层剪应力对比分析
根据有限元分析结果可知，胶层失效是引起复合材料贴补修理最终破坏的原因，因此，重点研究其他参数不变的前提下不同补片形状对胶层剪切应力的影响。图3和图4分别是圆形补片模型和矩形补片模型下所对应的胶层剪切应力图。
由图3和图4可知，不管是圆形补片还是矩形补片模型，其胶层剪切应力绝对值的最大值都是在胶层内侧区且与外力平行的孔2端处；相对于矩形补片的情况，圆形补片对应的胶层剪切应力分布更均匀；对于相同的矩形补片，其布置位置不同，胶层剪切应力也不同（如图4所示）。
3.2 修理结构承载能力对比分析
在其他条件不变的基础上，讨论补片形状变化对复合材料胶接修理后承载能力的影响。补片形状分别取圆形补片和矩形补片进行了计算，结果见表1。
从表1可知，在胶层面积相同的情况下，圆形补片时承载能力最好，矩形补片且长边平行于外力方向时承载能力次之，矩形补片且长边垂直于外力方向时承载能力最差。由于长方形补片加工比圆形补片方便，所以，实际修补中被经常用到。如果采用矩形补片修补复合材料结构，建议将矩形长边平行于外力方向，这样可以提高结构承载能力。
4 结论
通过三维有限元法分析了补片形状对复合材料结构胶接修理的影响。结果表明，胶接内边缘区域是胶层中的最大剪应力区；在其他条件不变的情况下，圆形补片修理后的复合材料结构承载能力最好，长边平行于外力方向的矩形补片次之，长边垂直于外力方向的矩形补片最差。
参考文献
[1]郑立胜，李远才，董玉祥.飞机复合材料粘接修理技术及应用[J].粘接，2006，27（2）：51-52，58.
[2]代永朝，郑立胜.飞机结构检修[M].北京：航空工业出版社，2006：250-252.
[3]姚磊江，童小燕，董善艳.损伤复合材料层板胶接修理强度分析[J].机械科学与技术，2005，24（6）：676-678.
[4]向法武，李曙林，石晓鹏，等.损伤复合材料胶接修理后承载能力的有限元分析[J].机械工程材料，2012，36（8）：101-104.