复合材料胶接修补件力学性能的实验研究与数值模拟

进行复合材料修补的铝合金板的静强度实验,测定载荷-位移曲线,分析破坏机理,并讨论了胶层材料性能、复合材料补片性能与厚度等因素对修补件静强度的影响;建立了修补件的三维有限元模型,模拟修补件的载荷-位移曲线和应力分布,验证了模型的有效性;根据应力分布计算结果和失效准则,预测初始损伤及裂纹产生的位置,并估算破坏强度,预测结果...     

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.     

复合材料胶接修补结构的热应力分析

针对复合材料补片胶接修补损伤金属结构中存在的残余热应力，本文充分考虑了周期结构对胶接修补区域的约束作用，系统地分析了胶接修补结构中残余应力大小以及残余热应力对结构静强度和疲劳寿命的影响，所得结果将为实际结构的胶接修补提供依据。     

飞机用复合材料斜胶接修补结构的冲击损伤

高传力效率的斜面式胶接在飞机复合材料传力接头和修补中被广泛使用,但该结构的低速冲击损伤阻抗和损伤容限未在飞机结构设计中考虑。本文研究了低速冲击下的较厚的复合材料斜胶接板的力学性能及损伤失效。在胶接区域布置不同冲击点,寻找最敏感位置,在该位置进行冲击能量变化研究,通过冲击响应（冲击载荷、挠度、能量等）及冲击损伤两个方面获取其规律和失效机制。小能量和大能量冲击结果表明,胶接区域5个典型冲击位置中,中心位置冲击损伤最大,冲击敏感性最高,因此中心点为冲击损伤阻抗最小位置。中心点不同能量冲击时,冲击响应研究揭示了冲击过程中冲击载荷具有典型的4阶段行为。冲击载荷还具有双峰值力的现象。冲击后沿试样中心线切开的显微损伤图揭示了该结构有两种损伤模式,包括复合材料损伤及胶层损伤。复合材料的损伤包含90°和45°层基体的开裂和0°与90°层之间的层间损伤。胶层损伤出现在试样冲击点正下方背部的复合材料斜接尖端部位。进一步通过考虑复合材料层内、层间损伤及胶层损伤的渐进损伤模型对试验进行仿真研究,找出导致第Ⅱ阶段冲击载荷突降的主要原因为复合材料层间损伤,第Ⅳ阶段冲击载荷再一次突降是由于胶层出现了损伤。     

复合材料结构修补技术的发展

先进复合材料在航空工业的大量应用可有效地改善飞机的性能，随着这种应用的增长以及为了更有效地使用先进复合材料，迫切需要发可靠的修理技术，本文综述了有关复合材料修补技术的发展，已有的结果表明，如采用适当的修理技术，复合材料构件可有效地修复，甚至可恢复到原来的强度。     

复合材料修理飞机金属结构技术的应用进展

针对航空金属构件损伤碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)单面修补结构,研究了3种贴补修复工艺(湿铺法、预浸料法、预固化法)、复合材料补片厚度、补片长度与修复界面形貌、胶接特性、失效形式和极限载荷之间的对应关系;建立了三维有限元模型,基于三维Hashin失效准则模拟复合材料补片的层内损伤和演化过程,基于内聚力模型模拟胶层和复合材料补片的层间破坏,通过与试验和理论分析对比,验证了该有限元模型的有效性。研究结果表明：3种修补工艺具有不同的界面形貌和失效形式,湿铺法工艺的修复效果最好,是预固化法的3.3倍、预浸料法的1.3倍;随着复合材料补片厚度的增加,修补结构的极限失效载荷先增大后减小,最后趋于稳定,失效形式逐渐从复合材料补片分层崩裂、纤维断裂与胶层损伤的混合失效逐渐演化到胶层的剪切失效,得到修复效果最好的补片厚度为7层约1.05 mm;随着补片长度的增加,修补结构的极限失效载荷先增大后线性减小,胶层的损伤从接头中央和两端起始并往中间区域演化,得到修复效果最好的补片长度为80 mm。该结论为航空维修工程应用提供了良好依据和建议。     

复合材料胶接修补航空铝合金的疲劳性能与损伤监测实验研究

针对航空铝合金在疲劳载荷作用下易发生疲劳裂纹快速扩展引起突发断裂破坏的问题,采用碳纤维复合材料来胶接修补受损航空铝合金,以提高其疲劳性能。同时,使用红外热成像技术结合数字图像处理,对复合材料与铝合金界面脱粘进行在线监测,尝试建立脱粘缺陷发展与疲劳裂纹扩展之间的关系。进行无修补和有修补受损铝合金试件的疲劳实验对比研究,结果表明:复合材料胶接修补铝合金试件的疲劳寿命比未修补试件提高60%,从实验曲线走势和破坏形态看,可认为复合材料的疲劳性能优于复合材料/铝合金界面的疲劳性能,而界面的疲劳性能优于铝合金的疲劳性能,脱粘缺陷的像素增加与金属的裂纹长度延伸规律一致、高度相关,可以为后续疲劳裂纹扩展监测提供参考。     

基于全试验设计方法的含裂纹铝合金板复合材料修补参数优化

建立含穿透裂纹铝合金板复合材料单面胶接修补板条的三维有限元模型,基于位移外推法对裂纹尖端的应力强度因子(SIF)进行求解。使用全试验设计的方法对不同修补参数下修补板条的单向拉伸试验进行仿真模拟,利用二次方程描述并研究了补片长度、补片厚度及胶层弹性模量共同作用时对SIF的影响,确定了以SIF为评价指标时对修补效果影响最大的修补参数,优化了修补设计,并应用优化修补参数进行单向静拉伸试验。结果表明,当三类修补参数共同作用时,补片长度对修补效果影响最大;使用优化修补参数单面修补试验件的破坏强度比未修补板的提高了12.1%,恢复到完好板的90.5%。     

金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构应力分析

考虑金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构的几何非线性和边界条件,建立了考虑弯曲变形单面修补结构力学分析模型,计算出承受面内载荷时修补结构的弯矩和挠度,将补片自由端和金属板裂纹处的弯矩作为胶层应力控制微分方程的边界条件,推导出剪应力和剥离应力的解析解,及裂纹张开位移的表达式,并与有限元数值结果进行对比。分析结果表明,胶接修补结构应力分析理论模型和相关简化假设合理、正确。利用所建立的解析模型研究了金属裂纹复合材料单面胶接修补结构的应力分布特点及胶层主导破坏模式的失效机制,为胶接修补结构的承载能力分析以及结构改进设计提供了一定的理论依据。     

金属裂纹板复合材料胶接修补强度的弹塑性有限元预测

金属裂纹板经复合材料补片胶接修补后,其结构强度明显提高,但裂纹板中的裂纹会导致严重的应力集中现象,并易产生塑性变形,呈现强烈的材料物理非线性特性,需要采用弹塑性力学原理,进行复合材料胶接修复结构的静强度预测。为此,考虑金属板材料的非线性特性,建立了金属裂纹板复合材料胶接修补结构的弹塑性有限元模型,并通过试验验证了模型的有效性。在此基础上,提出了基于裂纹尖端的张开位移(COD)判据的拉伸强度预测方法,分析了修复结构的塑性应变、COD以及静拉伸强度。结果表明:相对于应力强度因子K判据, COD判据能更有效地预测修复试件的静拉伸强度。      

复合材料胶接修复受损结构力学建模研究进展

复合材料胶接修复结构是一个包含损伤母板、聚合物胶粘剂层及复合材料补片的多层复杂体系,其力学模型主要有2种,即解析模型与数值模型.详细阐述了2种力学模型研究的发展过程及现状,介绍了国内外对该项研究的主要内容,并展望了其发展趋势.     

铁锚101胶在粘接结构中的老化机理

以铁锚101胶为粘接剂,工业三乙醇胺为固化剂,制备了橡胶-玻璃纤维粘接结构。同一温度下对粘接结构进行加速老化试验,测定不同老化时间后粘接结构中胶黏剂的180°剥离强度,对粘接结构的剥离界面进行宏、微观观察,并通过红外(IR)、示差扫描量热(DSC)等对胶黏剂进行表征,研究粘接结构中胶黏剂的微观形貌、失效模式和活性官能团结构随老化时间的变化。     

碳化硅质焊料连接氮化硅/碳化硅陶瓷的性能研究

采用以碳化硅为主相的焊料,在无压的条件下,连接氮化硅结合碳化硅陶瓷.结果表明:焊料在室温到1323K的干燥和烧结过程中,体积稳定,稍有膨胀.在1173K保温3h的条件下,连接的样品拉伸强度达到1.76MPa,热震残余强度保持率为82%.接头致密,并且焊料层与母材显微结构非常相似,界面处有明显的元素扩散,这对于提高结合强度和热震性能有重要作用.     

A Standard Analysis Methodology for the Stress Analysis of Repaired Aircraft Structures with the Method of Composite Patch Repair

The method of composite patch repair is a very modern method of repairing damaged aircraft structures, which presents many advantages over the traditional methods of repair. Many analytical as well as numerical methods have been suggested, from time to time, for the stress analysis of such bonded repairs. The engineer (especially one with not very much experience or theoretical background) who will be asked to design a repair may find it difficult to choose the most appropriate method for the specific problem that he has to deal with, among the large number of available analysis methods. The scope of this paper is to suggest a very specific, standardized, step by step analysis methodology for damaged/repaired aircraft structural components.     

Wafer Scale Solventless Adhesive Bonding with iCVD Polyglycidylmethacrylate: Effects of Bonding Parameters on Adhesion Energies

Initiated chemical vapor deposition (iCVD) polyglycidylmethacrylate (PGMA) thin films are investigated as adhesives for wafer‐scale bonding of 300 mm silicon substrates and demonstrated to form highly uniform, void‐free bond interfaces. The effects of bonding temperature and pressure on critical adhesion energy (G_c) between iCVD PGMA and silicon are studied using the four‐point bend technique. G_c values can be varied over an order of magnitude (0.59–41.6 J m⁻²) by controlling the bonding temperature and the observed dependence is attributed to changes in the physical (diffusion) and chemical (crosslinking) properties of the film. Thermal degradation studies using spectroscopic ellipsometry reveal that the iCVD PGMA films can crosslink when annealed above 120 °C in air. Further, changes in polymer behavior associated with annealing temperature are demonstrated to influence the crack propagation interface between the bonded substrates. These findings demonstrate the feasibility of iCVD polymer films for both temporary “thermoplastic,” and permanent “thermoset” bonding with potential applications in 3D integrated circuit technologies.     

SiC纤维／LCMAS微晶玻璃基复合材料的界面结合和力学性能

本工作通过在母体玻璃中引入ＭｇＯ后进行热处理得到一系列具有不同热膨胀系数的微晶玻璃．ＳｉＣ纤维／ＬＣＭＡＳ微晶玻璃基复合材料在烧结条件下，在纤维和基体间形成一厚度约为２μｍ的界面层．纤维、基体间的界面剪切应力通过单根纤维压出法测试，发现纤维、基体间的界面剪切强度对复合材料的力学性能有严重的影响，并且ＳｉＣ纤维／ＬＣＭＡＳ系微晶玻璃基复合材料具有较高的界面剪切强度，通过降低基体的热膨胀系数减弱界面剪切强度，可使复合材料的强度和断裂韧性都得到明显的改善．     

钛合金胶接表面处理研究

钛合金表面处理方法是影响钛合金胶接耐久性的重要因素。本文介绍了各种钛合金胶接表面处理方法及其表面分析技术,评述了各种表面处理方法对胶接耐久性的贡献。以湿热耐久性为考核点的研究结果显示:电化学方法优于化学方法,化学方法优于机械方法。另外,处于研究阶段的等离子体、激光等物理方法因具有较好的耐久性和低污染特性,有望用于钛合金胶接的工业领域。     

铝合金裂纹板的阳极化处理与复合材料补片胶接修理效果

采用磷酸阳极化方法对胶接修理铝合金裂纹板的粘接表面进行了处理,并用单向碳纤维/环氧复合材料补片对铝合金进行了修补.测试了阳极化铝合金的粘接性能、修补结构的静态力学性能和疲劳性能,考察了粘接表面的阳极化处理对修补结构的静态力学性能和疲劳性能的影响.结果表明,磷酸阳极化在铝合金表面形成多孔膜,复合材料补片修补胶接时胶粘剂能渗透进入阳极化铝合金表面的多孔膜,在粘接界面上形成一层过渡层,该过渡层的形成能有效提高其与复合材料的粘接性能,其粘接副的拉剪强度提高了104%;铝合金裂纹板胶接修理前的粘接表面的阳极化处理能大幅度地提高修复结构的静态强度和疲劳寿命,当用单向碳纤维/环氧复合材料补片单面修补时,修补结构的破坏强度为418.13MPa,恢复到完好板的93.42%;修补结构的疲劳寿命相对裂纹板延长了1.42倍,比未阳极化的修补板的疲劳寿命增加了27.59%.修补前的阳极化处理也使修补结构在一定周次疲劳后的剩余强度有所提高.     

复合材料整体化结构胶合面的出平面应力问题

复合材料共固化/共胶接/二次胶接(co-cured/co-bonded/secondary bonding)整体成型技术是最基本、最常用的复合材料整体化成型技术。在整体化结构受载承力后,若在胶合面处局部出现显著的出平面正拉应力,则极易发生局部的胶层脱粘破坏,这种由设计载荷引起的脱层损伤将对结构安全构成显著威胁。由于此类胶合面为非典型胶接面,容易为人忽视。本文就有关概念、致出平面应力的主要因素及其对出平面应力的影响规律进行了研究,表明:局部刚度突变、局部施压是致出平面应力的主要因素,胶膜性能参数、几何参数等对出平面应力的大小也有显著影响。