复合材料胶接修补飞机金属结构技术的研究进展及关键技术

在修补含裂纹损伤的飞机金属结构和老龄化飞机延寿方面,复合材料胶接修补飞机金属结构是一门实用有效的技术.主要介绍了该技术的操作流程和关键技术,以及国内外该领域内近10年来在理论和实验方面的研究动态.     

阶梯形修理复合材料层合板拉伸性能研究

为获得不同参数对阶梯形修理结构拉伸力学性能的影响,本文开展了试验研究.针对铺层数目为8层的复合材料层合板,分别研究了阶梯数目为2个、4个和8个的无附加层的情况.另外针对4个阶梯的情况,研究了附加层数目的影响.作为对比,对相同修理区大小情况下的斜切形挖补修理结构也进行了测试.结果显示,对阶梯形修理结构,拉伸强度随阶梯数目的增加而增加,当阶梯数目由2个增加到8个时,修理接头的强度恢复率由36%增加到67%.通过引入附加层能够有效的提高修理结构的强度,但随着附加层的引入以及附加层数目的增加,修理结构强度的分散性变大.阶梯形修理和斜切形挖补修理的对比显示,相同修理面积的情况下,由于斜切形挖补修理能够提供更加均匀的胶膜应力分布,斜切形挖补的修理效率要高于阶梯形修理,相比4个阶梯的阶梯形修理,斜切形挖补修理强度能够提高25%.最后,根据修理接头表面各点的应力/应变分布规律,获得了拉伸载荷作用下修理接头的失效机理和失效过程.     

蜂窝芯体面外方向导热系数等效研究

利用商用有限元软件分析了高温阶段蜂窝芯体面外方向等效导热系数,分析结果与试验数据和半经验公式结果进行了对比,对比结果显示有限元软件可以用来预测蜂窝芯体面外方向等效导热系数。利用有限元软件分析了低温阶段蜂窝芯体面外方向等效导热系数,证明在0℃以下时辐射换热对蜂窝芯体面外方向导热系数的影响可以忽略,同时得到了铝合金蜂窝芯体在0℃以下时面外方向等效导热系数近似公式。     

TC4/30CrMnSiNi2A钎焊接头组织与力学性能分析

采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni和 Ag-Cu28两种钎料分别对TC4钛合金/30CrMnSiNi2超高强钢异种材料进行了钎焊,对钎焊界面组织以及接头的力学性能进行了分析。结果表明：Ag基钎料钎焊TC4与30CrMnSiNi2A异种材料时,钎缝界面组织为Ag(s,s)+Ti-Cu系化合物组成;因Ag固溶体的存在,钎缝具有一定的韧性,接头剪切强度较高,剪切断口呈现出韧性断裂特征。Ti基钎料钎焊TC4与30CrMnSiNi2A异种材料时,钎缝界面组织为Ti-Zr固溶体+未完全反应凝固钎料,钎缝显微硬度较高,接头剪切强度较低,呈现出脆性断裂特征。Ag基钎料TC4/30CrMnSiNi2A异种材料钎焊接头力学性能明显优于Ti基钎料结果,在钎焊温度830℃,保温时间15min时,剪切强度为125.52MPa。     

复合材料螺接修理结构参数化建模分析工具开发及验证

螺接修理在复合材料结构的临时性修理,尤其是战伤修理中应用较广泛。然而其修理设计过程较复杂,建模分析难度较大,难以满足工程快速定参的需要。本文针对含穿透损伤复合材料层合板的螺接修理问题,采用VB.NET结合p型有限元技术,开发了一套参数化的建模分析工具。分析工具通过界面读取修理结构的几何参数、螺栓布局、螺栓大小、载荷、材料属性等参数,自动创建有限元模型并进行求解。根据求解结果,分析工具可为用户提供修理结构的螺栓载荷、钉载比例、危险孔孔边应力等。另外,通过引入有限断裂力学,结合两级模型分析技术可预测得到修理结构的失效强度和失效位置。最后,采用典型算例对分析工具的有效性进行了验证。     

复合材料双面贴补修理拉伸解析分析模型及试验验证

复合材料胶接修理是一种有效并且低成本的修理技术。本文建立了复合材料层合板双面贴补胶接修理解析分析模型。模型中考虑了搭接区阶梯末端截面积变化细节。预测失效时,层合板采用最大应变准则,胶层采用最大剪应变准则和损伤区域理论。定义了残差函数来表征极限载荷解析计算结果与试验值的接近程度。通过试验对解析模型得到的等效刚度与极限载荷进行了验证。解析分析结果与试验数据对比表明:复合材料层合板双面贴补等效刚度随着搭接长度的增加单调增加。解析模型计算的等效刚度与试验结果最大误差不超过15%。当损伤特征长度为4%时,损伤区域理论对应极限载荷残差值最小,仅为4.30%,最大剪应变准则预测极限载荷的残差值为6.41%。解析模型分析表明,双面贴补极限载荷随着搭接长度的增加表现为快速增长、缓慢增长和几乎不增长三个阶段。搭接长度结合结构减重等限制因素应选择15~35mm为宜。     

复合材料层合板斜切型挖补修理试验

为研究拉伸载荷作用下不同挖补角和附加层数对复合材料胶接挖补修理接头刚度、强度、失效模式及关键位置应变变化的影响,开展了复合材料层合板斜切型挖补修理接头拉伸试验.采用一种碳纤维织物增强树脂复合材料作为母板与补片材料,一种改性环氧树脂胶膜作为胶层材料,设计了斜切挖补角分别为1.8°、2.6°、3.5°、4.4°,附加一附加层或二附加层的斜切型挖补修理试验件.拉伸试验结果表明,在1.8°至4.4°挖补角范围内,所研究的接头刚度和强度随挖补角的增大而减小.附加层数的增加能够有效提升接头的刚度及强度.接头的失效可以概括为四种模式,与挖补角及附加层数目相关。接头关键位置点的纵向应变变化能够动态反映接头的失效过程.     

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。     

考虑间隙配合的复合材料钉载分配均匀化方法

针对多钉连接中因复合材料脆性等因素导致结构中的钉载分配不均匀,以及接头在承载较大的钉位置易发生过早破坏的问题,提出了调整钉孔配合间隙改善钉载分配的不均匀性的优化方法。首先,基于弹簧质量模型,以钉孔间隙为设计变量,建立了多钉连接钉载分配的二次规划优化模型。然后,采用内点法对优化模型进行了求解,得到了优化模型的全局最优解。最后,以复合材料5钉双剪接头为例,对钉孔间隙进行了优化,将计算结果与有限元预测结果进行对比。结果表明:模型优化结果与有限元结果吻合较好,优化后最大钉载比例由41.1%降低到了20%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料多钉连接钉载分配比例的均匀化设计。      

民机复合材料应用及维修的适航验证与审定研究进展

先进复合材料结构在民机中的大量应用可以带来减重、降低设计成本、耐蚀抗疲劳等诸多优势,但同时也伴随着在使用中出现的各种损伤类型及后期的维修难题。民机复合材料维修后的适航验证与审定是保证维修有效性与符合性的关键,是保持与恢复航空器固有可靠性与安全性的合格性鉴定。在对比欧美国家与我国在民机复合材料应用与维修领域(包括技术水平状况、工程应用积累、成果形式等)发展差异的基础上,指出现阶段我国应前瞻性地考虑民机复合材料应用与维修的适航验证与审定所涉及的相关基础理论与关键技术,为进口运输机上复合材料的超手册维修、通用飞机及国产民机的复合材料维修的适航验证与审定做好技术储备,并获得更多的自主知识产权。