剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板试验及有限元分析

为了确定剪切载荷作用下含非穿透损伤复合材料挖补修理层合板的破坏模式和抗剪切能力,进行了复合材料挖补修理层合板的剪切试验,并与未损伤复合材料层合板进行对比。试验结果表明,复合材料挖补修理后的层合板具有较高的强度恢复率,且不影响层合板的后屈曲承载能力。同时,建立了剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的有限元分析（FEA）模型,复合材料母板和补片采用了三维Hashin准则来判定材料失效,母板层与层之间采用零厚度界面单元以有效模拟剪切载荷作用下复合材料母板上、下子板之间的分层。该模型得到的破坏模式与试验结果基本相符。由于挖补修理的设计与工艺复杂性,理论模拟的破坏载荷与试验结果虽不能完全吻合,但其最大15%左右的差异能够满足修理设计的需要。以上结果说明,该模型对剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的破坏模式和破坏载荷能够进行工程适用的预测。     

干法/湿法挖补修理层合板力学性能的对比研究

挖补修理是一种常用的受损复合材料结构修复方法,主要可分为干法(预固化补片)修理和湿法(湿铺贴)修理。通过开展静力拉伸实验,研究了不同损伤尺寸的预固化补片挖补修理和湿铺贴挖补修理层合板的极限强度、破坏模式以及补片脱粘情况,实验结果表明采用预固化补片修理的结构其强度恢复率更高,补片提前脱粘概率更低,修理效果更好。在力学实验的基础上,通过有限元计算准确预测了挖补修理层合板的极限强度、应力应变分布和损伤演化过程,计算结果表明预固化补片修理结构的胶层应力分布更加均匀,应力水平和应力集中程度更低,出现界面失效和胶层内聚失效的载荷也更高。     

复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理构型的渐进损伤分析三维有限元模型, 同时考虑了复合材料母板、 补片和胶层的损伤扩展以及它们之间的相互影响。层合板采用含正交各向异性损伤的连续介质损伤力学(CDM)本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用二阶张量形式的内部状态变量表征。胶层采用含各向同性损伤的CDM本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用常数形式的损伤变量表示。计算结果与试验数据符合较好, 说明该模型可较好预测挖补胶接修理的复合材料层合板拉伸强度及其失效模式。     

复合材料织物层合板挖补修理软件实现与试验验证

针对单向拉伸载荷作用下复合材料织物层合板胶接挖补修理结构,改进现有解析模型,建立适用于无附加层、附加1层和附加2层结构的阶梯型挖补修理结构和斜切型挖补修理结构的解析分析模型。给出求解算法,定义准确度用于评价数值计算精度,最终实现开发一套界面友好的复合材料胶接挖补修理设计与分析软件。该软件可以求解单向拉伸载荷作用下,复合材料胶接修理结构内部的剪应力场/剪应变场分布,评价搭接板受载情况,并预测结构失效载荷与失效模式。研究中采用T300/CYCOM-970织物作为母板与补片材料,METLBOND1515-4M作为胶层材料,设计进行了一系列阶梯型及斜切型挖补修理验证试验。试件失效载荷与软件计算结果吻合良好,阶梯型最大相差5.7%,斜切型最大相差14.0%。该软件可以对复合材料织物层合板胶接挖补修理进行高效、准确的初步辅助设计与分析。     

单面贴补修理后层合板的拉伸性能

对含孔损伤复合材料层合板单面贴补后进行拉伸试验研究。测量了层合板的应变分布、修理后层合板中心点的离面位移及拉伸强度等, 考察了补片的厚度、大小等因素对修理效果的影响。结果显示, 增加补片的厚度和直径能够提高母板的承拉能力, 但是增加补片的厚度会导致层合板离面位移增大。对无侧边支持的单面贴补层合板进行计算分析时, 必须考虑偏心载荷引起的弯矩的影响。在此基础上, 采用分层损伤判据建立了三维有限元模型, 对单面贴补层合板的破坏机理和拉伸强度进行了计算和分析。结果表明, 修理后层合板的拉伸破坏是由补片或母板内与胶接面相邻的层间分层引起的; 计算结果与试验结果一致。      

复合材料胶接修理层合板拉伸性能及影响参数

胶接修理是效率较高、应用较广的复合材料结构修补技术。对采用不同参数进行挖补和贴补修理的复合材料层合板的拉伸性能进行实验研究。结果表明:挖补修理实验件的强度恢复率约为66%~91%,贴补修理实验件的强度恢复率约为44%~61%。在挖补修理实验件中,减小挖补斜度、采用双面挖补、使用热压罐固化,在贴补修理实验件中,采用双面贴补、增大补片尺寸,均可得到更高的强度恢复率。在实验基础上建立的有限元模型,能够有效预测实验件的失效载荷、破坏模式,并可分析实验件的应力分布和渐进损伤过程,为设计修理方案提供参考。     

复合材料层合板胶接贴补修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板胶接贴补修理构型渐进损伤分析的三维有限元模型, 其中层合板和胶层分别采用正交各向异性损伤和各向同性损伤的连续介质损伤力学模型, 整个分析过程中同时考虑层合板和胶层的损伤形成和扩展以及它们之间的相互影响, 单向压缩载荷作用下的层合板贴补修理构型的试验数据验证了该模型的有效性, 采用该模型分析了不同的贴补修理参数对修补强度的影响。 结果表明: 当层合板补片较薄时, 补片损伤是导致修补结构失效的主要原因; 当补片较厚时, 胶层失效是导致修补结构失效的主要原因, 此时补片厚度增加并不能显著增大修补结构的极限强度。在复合材料贴补修理时需要对补片和胶层进行详细优化设计。      

层压板双面挖补修理的拉伸性能研究及参数分析

对含穿透型损伤层压板双面挖补胶接修补件的拉伸性能及主要影响参数进行了试验研究。结果表明: 双面挖补后的失效拉伸强度恢复率能够达到80%; 当挖补斜度1∶40、 覆盖层取3层、 且靠近母板的铺层方向与母板的最外层的铺层方向保持一致时, 强度恢复率较大; 使用双面挖补后, 母板厚度、 母板铺层方式对强度恢复率的影响不大。同时应用有限元软件ABAQUS, 采用三维实体单层设置建模方式对双面挖补层压板的拉伸性能进行了数值模拟, 模拟计算结果与试验结果基本相符。      

挖补复合材料层合板拉伸性能的参数影响研究

建立了挖补复合材料层合板的有限元模型,并通过渐进损伤分析方法计算了拉伸载荷下挖补结构的极限强度,计算结果与实验结果吻合良好,验证了模型的有效性。分析了该结构的失效过程,得出结构的失效模式为胶层失效。对挖补复合材料层合板的修理参数进行研究,分析了挖补斜度和挖补深度对挖补结构极限强度的影响。结果表明减小挖补斜度以及减小挖补深度都能提高挖补结构的极限强度。     

复合材料正交加筋层合圆柱壳结构阶梯式挖补修理的参数化研究

利用三维参数化有限元分析模型,对复合材料正交加筋层合圆柱壳结构的阶梯式挖补修理进行了参数分析.主要考虑了载荷情况、阶梯数、铺层顺序以及补片铺层错误等修理参数对阶梯式挖补修理结构胶层剥离应力和剪切应力分布情况的影响规律,并利用绝对值的平均值和均方差来描述胶层剪切应力剥离应力的分布情况,以确定最优的阶梯式挖补修理参数.基于该文建立的三维有限元模型可以深入地了解复合材料正交加筋层合圆柱壳结构阶梯式挖补修理区域胶层应力分布的详细情况,而且参数化分析结论也可为复合材料正交加筋层合板圆柱壳结构的阶梯式挖补修理方案的设计和分析提供参考.     

蜂窝夹层修理结构的弯曲性能试验分析

采用四点弯加载方式研究分析了含损伤蜂窝夹层修理结构的弯曲性能,该夹层结构由碳纤维增强的聚合物面板和蜂窝芯子组成。进一步分析了挖补斜度、挖补方式、损伤程度、修理设备和修理材料对修理板弯曲性能的影响。研究表明,修理板的破坏模式可分为补片边缘折断、补片中面折断和胶层破坏三种,相同破坏模式修理板的名义弯曲强度相近,其中前两种破坏模式修理板的名义弯曲强度与完好板相近,而第三种破坏模式修理板的名义弯曲强度相对较低。所有修理板的名义弯曲强度恢复率基本处于95%以上,同时修理后抗弯刚度也满足修理准则。     

Parametric study of scarf joints in composite structures

Bonded scarf or stepped repairs are used in composite structures when high strength recovery is needed or when there is a requirement for a flush surface to satisfy aerodynamic or stealth requirements. Scarf repairs are complex to design and require the removal of significant parent structure, particularly for thick skins.

A parametric finite element (FE) model has been developed to allow a broad study into the effect of various parameters on the performance of a scarf joint. The stress distribution along the bondline has been investigated, and the sensitivity of peak stresses determined with respect to changes in scarf angle, adhesive thickness, ply thickness, laminate thickness, over-laminate thickness and lay-up sequence. Furthermore, the adhesive stresses resulting from joining matched and mismatched laminates was investigated. The benefit of load by-pass of a repair was also examined using a 3D model of a circular patch. The results of this investigation provide further insight into the stresses that develop in scarf repairs of composite structures under load. This insight may lead to improved design and analysis techniques of scarf joints in composite structures.     

混杂铺层层板穿透挖补修理后拉伸性能

对经穿透挖补修理后的平面编织混杂铺层层板的拉伸性能进行了试验研究, 结果表明初始损伤相同时, 挖补斜度为1∶30的试件的拉伸强度最高, 可以达到完好板强度的97.8%, 并且不同挖补斜度的试件表现出不同的破坏模式。此外挖补斜度相同时增大初始损伤会导致拉伸强度降低。在试验基础上建立渐进损伤有限元模型, 并对修理试件的拉伸强度及破坏过程进行研究, 数值模型得到的极限强度和破坏模式与试验结果吻合良好。     

Failure load prediction of laminates repaired with a scarf-bonded patch using the damage zone method

The damage zone method (DZM) is an efficient way to predict the failure of composite structures with a minimum of real testing. Particularly, it is useful when the failure mechanism is too complicated to be accurately analyzed by a merely numerical method. The aim of this study was to use the damage zone model to predict the failure load of repaired laminates, in which scarf-bonded joints were used for repair. The model uses a test-based critical damage zone and stress-based failure criteria. A total of 45 carbon-epoxy composite (USN) laminate scarf-repaired specimens were first tested with two different defect sizes, four scarf angles, and three overlap layer sizes. The Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria were used for the laminate, and the maximum shear stress criterion for the adhesive was adopted to predict failure onset. The predicted failure loads were compared to test results and a good agreement was obtained with a 9.2% maximum deviation for almost all parameters with the exception of a case with an unrealistically large scarf angle. To verify the feasibility of the DZM for different material, additional 30 repair specimens using other unidirectional carbon-epoxy laminate were then also tested and the predictions were confirmed by the results of the experiment.     

冲击作用下斜接修补CFRP层间分层和胶层的损伤机制及参数分析

首先,针对斜接修补CFRP抗冲击性能差的问题,分别使用基于接触的内聚力模型（SCZM）和基于单元的内聚力模型（ECZM）描述层间分层和斜接胶层破坏,研究CFRP层板的冲击响应和两种失效的演化规律。然后,分析了冲击能量、斜接角度和预拉伸作用对两种失效的影响。结果表明：层间分层起始时间早于胶层破坏,与冲击能量无关;分层和胶层破坏面积随冲击能量增加而增大,胶层破坏面积增加的更明显;斜接角度主要影响胶层破坏,对分层面积几乎无影响;预拉伸作用对两种失效均具有负面作用。最后,进一步讨论分层对胶层破坏的影响,通过与只考虑胶层破坏的情况进行对比,发现层间分层使胶层破坏的面积降低,延缓了胶层的最终失效。     

Experiment and design methods of composite scarf repair for primary-load bearing structures

A relative thick plate of composite being repaired by scarf bonding was substituted as the scarf joints and studied under tensile load in this paper. The experimental investigation told us the ultimate capability of load and failure mechanism of composite scarf joints. In order to explain failure mechanism for scarf bonding repair of composite structures distinctly, FEM based on continuum damage mechanics (CDM) was carried out. CDM equations were derived by adding the delamination mode and 3D Hashin criteria based on strain into the composite constitutive relation. Furthermore, a modified semi-analytical method (MAM) was developed to obtain shear stress distribution in theory. MAM can improve the accuracy of Harman and Wang method, solve the stress asymmetry, obtain secondary peak of shear stress, and increase the highest peak of stress. In the end, the discussions for the methodologies of MAM, CDM and linear FEM were executed to compare the errors of predicting ultimate load. The discussion revealed that MAM has sufficient accuracy as an analytical methodology which could be utilized to design composite scarf repairs in a short cycle simply.