（飞行器设计专业论文）复合材料蜂窝结构损伤修补试验技术与分析研究.pdf

嚣冀五毁走攀疆圭羚窆 擒要 零交撵懑了囊台辫鼗瓣窝夹蕊镄褥蠢瑗瑟蕊鸯瓣鬻篪嵇或嬲糖嫠蹲揍黼下 修理方法嬲修蠼要求，避稼了羚片参激鞑修蛰觳搽的黪嘲鲍鸯黻嚣分褥诗冀， 镶了一螯瓣藏辍聚簿，篓器羲t 弦下鬼夸隽嚣蓊王终； l 。撩搿了菠会瓣辩燎黧炎慧臻掬凄囊瑟缀与姆窝艇錾载辅糙攘鼹缝溅下 黪璞方法霸骖爨蘩求，设童卡丁试装终； 2 避空了复台檄辩簿窝突嚣鳐褥瓣三蘩寄黼蕊穰黧； 王攒掰建室獒三缫帮羧嚣搂受，添鼷m s c , 粼a s t r a n 鼗撵漳冀黪裰7 蕊 蔻襻、簿一剪裁精季摹焉下黪於参数对藉替效聚戆雾拣；壤播零定诗簿褥 剃瓣臻李 参数辩髂矜效鬻辩黪瓣菠凌，帮瓣褥憨嚣下躐滁； 筑歉终鼗蘩、黪一籍鼗鼹赣；娜下，於黪销簇数辩骖羚效漂鹣澎髓卡分臻 懿。 程静跨懋寸鼗辫撩赣爨鼗誊搽、藜鬻戆妆一是熬壤雠下，拳 背糍黧 数懿璞燕黠强寝羧复麓雾璃趋予擎缓，褒补靖镶墨数遮溯l 溪嚣瑟援 浚镢囊彩舔藏多。 蓑瓣溜：鏊龠撼鞑蜂蹇必愁矮搀爨糙缎凝参补枣 背参数 嚣就工薤丈攀颈圭论文 a b s t r a c t i nt h i s a r t i c l e ，t h e r e s i d u a l s t r e n g t h o fd e b o n d c o m p o s i t e l a m i n a t e sa n dt h e i rr e p a i r e ds t r u c t u r e su n d e rt e n s i o na n db e n d i n g l o a di sc a l c u l a t e d u s i n g f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m e t h o d t h e i n f l u e n c eo ft h ep a t c hp a r a m e t e r so nt h er e p a i rs t r u c t u r e ，s u c ha s t h ed i m e n s i o no ft h e p a t c h ，t h e t h i c k n e s so ft h e p a t c ha n dt h e s t a c k i n gs e q u e n c e i sd i s c u s s e d ，t h ew o r ki n c l u d e sf o l l o w i n g s t e p s ： 1 b r i n gf o r w a r dt h er e p a i rm e t h o da n dr e p a i r d e m a n do f c o m p o s i t el a m i n a t e sw h e n t h eh o n e y c o m bi sd e b o n df r o mt h ep l a t e o fh o n e y c o m bs a n d w i c hs t r u c t u r e c o m p o s i t el a m i n a t e so ri n t h e c o n d i t i o no f w e e kb o n db e t w e e n h o n e y c o m b a n d p l a t e 2 c o n s t r u c ta3 df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m o d e lo f h o n e y c o m b s a n d w i c hs t r u c t u r ec o m p o s i t el a m i n a t e s 。 3 u s i n gt h em o d e lm e n t i o n e da b o v ea n dm s c n a s t r a n p r o g r a ma n a l y z e t h ei n f l u e n c eo ft h ep a t c hp a r a m e t e r so nt h er e p a i r s t r u c t u r eu n d e rt e n s i o na n db e n d i n gl o a d + s o m ec o n c l u s i o nc a nb e d r a w na c c o r d i n gt ot h ec u r v e sw h i c hs h o wt h ei n f l u e n c eo f p a t c h p a r a m e t e r s t or e p a i re f f e c t ： t h ei n f l u e n c eo f p a t c hp l yn u m b e rt or e p a i re f f e c ti s o b v i o u s 耍i i 王塑查童至兰篷塞 w h e nt h ec o m p o s i t el a m i n a t e si ss u b j e c t e dt ot e n s i o na n db e n d i n g l o a d w h e nt h e p a t c hd i m e n s i o n ，p a r e n tl a m i n a t ep l yn u m b e ra n d h o n e y c o m bs t r u c t u r ek e e pt h es a m e ，t h ei n f l u e n c eo fi n c r e a s eo f p a t c hp l yn u m b e r t ot h es t r e n g t hr e c o v e r yg o e ss m o o t h a f t e rt h e n u m b e r o f p a t c hp l y r e a c h e s1 0 ，t h ei n f l u e n c ed e c r e a s e s 。 k e y w o r d s ： c o m p o s i t e l a m i n a t e h o n e y c o m b s a n d w i c h r e s i d u a ls t r e n g t h r e p a i rp a t c hp a r a m e t e r s - 7 - 藉j 王韭太攀硬： 论文 第一章绪论 【内容提要】 综述了复合材料的发展概况、裹合材辩的损伤及其检查方法， 蔼单奔绍了复套挂辩修 | 、方法以及修於的必要牲和熏要性，在兆基础上阐述了本 文的工程背景，确定了本文的研究内容 。，l 复合材料发袋概况 不同奉孝瓣结余起来擒残撬蹇产晶在砉役裁已缀开媲7 ，嚣显黪续应彝l 至今。 早期，人们用麦肇增强的泥砖来建造房羼；现今，人们用钢筋加网的人造石( 钢 筋混凝) 来建造现代纯的赢楼大厦、桥梁等；褥蠢裁，入稍掰纤维增滏基体 的复合材料来制作飞行器结构的构件。 复合材料是幽两种或两种以上性能不同的树料、用物理或化学方法经人工 笈舍嚣藏浆一秘多耀霾豁耱辩，芟审每一霉孛鳃残耱辩称笼复合耪辩数“维份州1 。 而所谓的先进复合材料指的是一种在匀质基体中嵌入小赢径( 大约6 1 0 删) 、 随强度、筒弹性模量( 刚度) 纤维组成的材料筋。 凌 豹复会秘秘盎缀入程凌土粗功l ：2 0 越纪4 0 霉 戳寒，l ：发箨撼燃l 寒约 破朋 r 雏聚蛳艇介材料以及l ：纪加5 i ：成的小制复合材料和丁订j 印形成的 i ；，| = 彩弹矗然复会瓣料。程2 0 鳃年 裙，硼纾维鹃粥现歼翻了薪一代复合 材料。如硼和碳( 或石鬃) ，这些赢弹性模量连续纤维制作的复含材料，就被认 为址先进的复合乖于# ： ，j e j _ 彳f p i 1 ：强殷、比刚皮、i t j 没i = 卜住以及良好的疲势 热能等优越性能撕h i 拶泛地鹰川于嫩空、簸天、建筑、桃城、生物工挫等领 域。近2 0 年来，先进复合材料以每年3 0 的增陡率发展，随着人们对材料性能 帮成本懿踅毫要裳，复会耪辩在这些镶域笼萁是靛空靛天领域懿痘援兹豢褥更 为广阔。 国外麓合榜辩的研究都是献玻璃纤缎增强塑料歼始酶，这种材料被称为第 8 。 鞭嚣王越；掌鹾圭淦藏 一代复岱材斟，年代怒这静孝莓料麴成熟期。第二代复合材料憋先进复仑材料， 攀采爨褰犍蕤簿维露蔻壤强枣季鼹瓣复禽麓糖。磐麓斡蕊毪能终维毒碳簿缨、骥 鳋缨、势鲶( k e v t a r ) 、酸 乏建终缕辍及碳毒乏建熟矮筹，毙进鬣辫耨蠡冬媳强凌、 比刚度、疲劳憔能和徽损安全性等都比念属材料优越。7 0 年代初期复合材料开 始试矮予飞掇羹褥孛，遗鼹主要蔫予迄承力不犬戆稔转；热艇舞、梦投耱。 捌7 0 年代中期j 燕爝扩大剐次承力构件，如垂真熙冀和卜1 4 的水平尾翼簿。7 0 年锭嚣嬲滤两魏鼹予妻撤力耪待，翔搬赛缎梁耧蒙疫等。甚鼙漆瑗了全复食榜 爨妻每飞瓤，魏美鬻麓l e a rf a n2 1 0 0 1 3 4 1 。 我筒航空界予t 9 7 8 年在强一5 型飞机的迸气遒侧壁部位试用碳纤一玻璃纤维 混杂复合树糕瑟撬缮稳，鼗褥了镪步戚秘。款瓣肇找褪鬻嚣始郯大力嚣最了爨 窘褪糕豹鏊萋霪磷窕帮农飞税缝褥孛豹癍麓鹾究。炙嚣稀翻袋凌了多耱鍪号鼙藤 撬盼蔽，：辚= 鬣复念榜释豢嶷安定褥、方瓤照、奎渤擎惩秘橇冀爨力鑫莰蹙援簿主 始构件。谢 l q 已投八馊愚，并谯新设计赡飞机中鼹次点接采鼹夔舍材料设计缩 稳净 。谯袋辍上鬯在藏瓣耢究主疆餐了一定嚣逡箴。 夔蓿秘学技拳爨发麓，露辩餐搜熬靛要求掰盏慧刘，旱麓靛数熟霾挫壤热 塑性塑料为基体的复念树料在刚度葶 l 使用温度方磁难戳满足要港，人们歼始将 舞蒺羹、勰露凌努臻冬念篱鏊臻或辫瓷鏊薅菱合，菠鬻簿囊辩熬鳇笺蘸爵戆餐 台材料。幽于新的基体的引入，增强材料也在原米单一纤维增溅的基础上娃5 观 了片簸敷獭校状等蓑鹳煺疆瓣耨。 终鸯鬟会季君瓣发嶷方霆，摁杂麓套豺擗豹帮簿缀亵。这静笈食糖料巢髑滔 种或两种以上的纤维佧为增强材料，制成的复合材料既发挥了髂个增强材料的 撬蠢又避嚣了冀缺熹，怒一器缀饕途黪设嚣愚黪瓣。 为了魔服复念材料艨台板层问强度麓的缺点，人们从8 0 年代嚣始研究了三 壤、五镱、七缳黔编织熬台毒手料。这种多维复学孝芎料酌强度和穗度比二维复食 糖罄套7 禳大鬟蓬，魏潦赘爱力逐太大蜷强了。 目1 j 的又一墩新的缴展动向怒“人工结构化材料”。从单一结构材料溅单一 璐簸耱辫趣多功缝髂能复舍材精发溪，辩裁逢蕊潺“功麓礴凌衬耨8 ；款徽寒 9 。 囊j 王照走攀矮：_ i = 论文 的细观尺度向纳米的微观尺度发展，甚懋出现了“分子功能材料”的概念l 7 1 。 尽罄爱会零孝籽瓣俊感缀多，毽蒺奁飞凝结稳上瓣建鲻仍受爨缀多因素豹瓣 翻，虽然萦些嚣索叠缮戮壳骚，毽是诲多勰蘧今哭依然襻巍。瓣蠡仍然剽终复 合材料谯 5 i 机结构上鹰用的两个主要因素分别魁：( 2 ) 复合材料引起的费用增 艇。热塑性复合壤辩釉三维壤织爱会树瓣等建避复合毒搴糕激疑毙遴夔或型技零 的发展【嚣】，大大降低了缀合材料的树料和工艺分散性，提高了澎命，扩鼹了应 用范围。先进复含材料的性髓虽好，但成本太黼。目前钛为簿磅l o 美元，丽先 遴鹣复套榜糕簿耢要螽。美元，大大德袋瑙了其敷趣。 对瓣舞涅鏊髂( 金羼巍羯瓷 熬矮究； ( 4 ) 笈会耪睾季受擐缝构豹按馋译貉及其骖於投本豹磷究等铃。 随螯现有复食材料橼缝鲍不睽宠薷鞋及掰型整舍专孝糕灼不凝凄现，燮会率搴 糕在靛空、髋天、建筑、橇藏等现脊鞭域煞应搦必穗更蕊广泛藕深入，并麓复 仓材料也将在越来越多囊句领域获褥成用。 。2 芟食材糕飞枫绩构设计要求及设计准则 1 2 。l 复合材料飞撬结稳完整性所遵键的爨剿 ( 1 ) 沿用以往金属结构设计的一系列规定，述应满照有别予金属结构的特 臻要求； ( 2 ) 缺乏经验时，可引用国外缀验，但必频证实其可靠悭； 一l o 两北二i ：业大学硕i ：论文 ( 3 ) 采用积木式试验方法； 薅重螫都 牛( 藏缀终) ，发生产强蓠，要透露繁验收毪豹l ：l 试辨豹综 含性( 试件进行多种试验) 试验； ( 5 ) 要进行多方丽的结构强度分析。 1 2 2 复合材料飞机结构强度设计准则 ( 1 ) 载荷要求( 同于会属结构) 多 载赞( 撰气动载瑟) 要求黼子会藏，安全系数氇溺予金满。 ( 2 ) 材料选择及设计许用镳要求 a 飞机湿、热包线和材料极限应有足够的余量( 见图2 ) b 牵芎料的许鞠值由标准试验方法提供的数攥经统计处理采用b 基准； c 。 殳诗许斌缓应考虑黪境条俸( 漫、热) 及j 串击损伤和其它擐爨豹影嫡； d 灞、热条件：湿庶1 3 ；温度。5 5 0 一t m o l 。 粼 趟 活 攥 0 濑_ 度t t r a o lt g t m o l ：最离鬈母# 温艘 t g ；玻璃化转变激度 a t 一般敷5 0 0 c 圈2 湿、热包绒 一l lw 嚣嚣= 驻戈喾镁圭话变 3 ) 静强麟试验要求 褒设计鼗棼下纛酸装，鼹整枣孝籀蛰，在粼彳譬试验融，痰考虑瀑熬嚣予， 鼓痊骞艿t 5 弱瑕疫余量； ( 4 ) 复材在外物低速p 击时，在具有剐剐可嫩的损伤时，廊能承受设计载 芬，蠹受载过褥孛，羧镄茏扩震； 5 ) 农莛袁骥撼燕按伤对，痰遴行髂 蠖磺，觳痰戆承簧键翔载黄，修於磊 熊承受设毒卡载萄： ( 6 ) 破坏安全，尽可能多的多余健力路线，一般簧进行模拟计簿或试骏： ( 7 ) 舆蠢一定撬拽l 损侥豹缝力，褒2 3 m ml = ：j 镪火炮黪毒峨麓承受使羯裁穗 辍及安全逐续飞孬载努，薤安全罄臻： ( 8 ) 疲游 其露4 倍谈到分搋淹命# 绩零愈筋疲劳实验； ( 9 ) 损伤容限设计思想 飞机结构的损伤容限分析主袋包括对带损伤结构的剩余强度信箕期攒伤 ( 黉绞 扩震寿鑫鞭溅。辩予霾懿- 掰于飞瓿结掬酾绎维璞强辩簿莲复会耪辩震 压板和层联结构，在损伤特性、扩展规律和分析方法等方面，述缺乏一套较系 统豹理论燮持，箕辩久性傣伤容鼹分橱又不韪鲞按累震套属飞枫结构便髑辩蠢 法器程謦。热主滋手笈念枣手搴季层蘧教帮麓嚣结稳撰伤扩溪豹复杂经弱无溪箨褴 戳及损伤扩展检测的豳熊，霹前不少麓舍牵葶籽飞褫结梅采用了低艨变设计帮“撮 伤无扩展”设计概念。因此，其耐久挫，损伤容隈分析的熬点主袋还是采用螳 霄试验数餐支持熬工程镄葵方法，融带靛貉或攒傍瓣缋稳逶孬瓣余强度嵇舞。 a ，焱大瓣n d t ( 嚣臻_ l 蔑验) 可接受戆藏侥擞貉期漆器足寸纛露一倍寿禽： b 。簸筹尺寸夫子2 经豹n d t 弼接受熬损伤黻麓尺。因藏，觳要求2 傣 寿命辩内( 使用期巾) 无扩箴； c 。翳援扳在寿鑫糕内( 使雳裁孛) 廷扩浸； 2 ， 藩托工韭天拳簇 ：越文 d 谯使用中对明显w 见损伤应进行修补； e 以低速冲击损伤的剩余强度为基准，各类损伤的“临界尺寸”应保持在此 “貉秀尺寸”之下。 嘻。3 复合材料结构豹撰伤及撰伤特性 1 3 1 复合材料结构的损伤分类 尽管复合材料有上述所说的众多优点，但是，复合材料也存在着固有的缺 杰。复会誊孝辩，楚其是纾维增强耱疆基复合材糕耩子麓靛拱瓣，英痤力疲交关 系近似赢线，在过载时不会出现塑性变形，内力重新分酉己能力麓，甚至烂在较 小的冲击载葡下，也容鬓造成内部酶分嫠损伤，这种损伤会降低结构的剿度耜 强度，其愿缩强度的降低更加明胜。在受冲击的复合材料零件表1 蔚，损伤不明 照甚至完全看不簏，但零件内部融产生分层损伤。 复会楗糕结构戆撰穆大致霹叛分为三类； 制造损伤 制造损伤通常可以分为两类：一类是铺贴和固化成烈过程中产生的，例如 魏戮率、分层、聪黢、夹杂、贫l 舞藏塞艟、爨黪露纯不宠众、纾绦方囱壤巍( 或 纤维弯曲) 、铺层顺序错谈、纤维间有空隙等；另一类是谯机械加工和装配时产 黛兹，翻魏麴瘙、擦伤、撞击残液、绎缀获裂、镪芋l 不当、拧繁力矩逮丈等。 冲击损伤 冲击引起的损伤按其形态可分为两类：一类是高能爨冲击，往往也烧高速 滓鸯，铡鲡子露、菲寇容发动梳黪片、岛撞等努寐物静冷毒造戒靛损痿，它往 往是穿透性的。并伴随有定范围的局部分层，黼击也可能导致蒙皮被磷穿、 产生深度分层或严重烧蚀，上述这些损伤殇茸视w 硷，弼以及时发现，并很快 采取修补攒麓或熨换受损部件：另一类是低能量i 巾击，多数情况下也是低速冲 弧北一业大学硕0 论义 南。它包括生产线维护用工其的掉落：义车、卡苹和工作平爵遮一类维护设麓 鸵撞击；缎掺入爨无意中产生熬糕黎脚踩：起飞域着陆对从跑瀵上卷起嬲头、 禳钌、羚羧碎片戆撞爨；馘及在筑覆或赛申飞嚣辩球霍豹攘爨。这类接伤绞往 获净蠢懿袭瑟穰壤察激，毽在基会檄络秘蠹零攫霹戆已经产黧了犬莛嚣按侮， 因此往往会带来熨大的危险性。 魏 毳趁淤诗中怒不霹避免斡。缀然不瘸子获貉粒擐痿，毽它确实弓l 起了终拘 强度的削鹅，也是复合树料结构估算剩余强度时必须考虑的因豢之一。 表i ， 翔出了复合榜瓣在利遥、使用中的典型损伤及环境损伤拉- 2 a 3 , 1 4 a 5 l 袭 。 ( a ) 典型制造损伤 损经典羹缀因 空隙露纯工艺黢潮不葑 努层混入脱模荆；鼹托工磐羧谁不当；成型或制我对的缺陷形成分朦 虢胶零俘装配不协调；混入脱模帮：固化工艺控捌不獭 袭面损伤脱模方法不疆确；操作镄误 镔藐爨误键魏貘投蠢错诿 表 ( b ) 熊型使辩攒傣 镄经典燮藏困 刀痰、剃傍搽俸镰误 螭蚀坑再蚀、砂蚀 分屡冷爨旗镑 戏黢冲痰损伤、超载，敬期处于声缝环糍、疲势 圆孔变形超载、挤压破坏 l蹬痰泠赘蓣嫠、a 舞蹀鼯、爨遂主露头磋撞、羚寒魏狰惫( 热鼍骛等) 穗忿王照戈孥蘸圭稔文 i边缘损伤机门和可拆卸部件使用不当 j 舞 透搂像麟谜耱傣冷童攮协；严重搽佟炎误一尖镳物律洚赘 蒜1 t ( o ) 典型环蠛损伤 损魏 撼淤娠网 表瑟氧纯黉南；避熟 稔辩i 申落损镪 努星熬渖南；热嫩力 夹层缱褥袭蕊脱胶表辍处理不霓分 表瑟鼓浚褥谖餐藤溶辩 夹芯腐镌妊蜂窝芯中有水分 i 。3 。2 复台材辩结鞫豹损伤特褴 复台树辩靛搂穆特摭与会嚣龄黢不秘，这袭璇在砖： ( 1 ) 缺口敏感性 由乎意羼般繇熬谢矮服除段，两黧食奉孝粉稔往纛登破坏。箕窿力藏交 戆线费黧瓒线镶，掰 ；差笈会耪攀篷耱强发浃蜀敏薅睦遴嚣予衾攥；纛菱会辑鹳 的疲劳缺棚敏感性远低予金属，其疲劳缺口系数( 一定循环次数下，冤缺阴试 抟疲蒡强泼与含缺日疲势强度乏毖) 涎小子静残宠榘中系数，静显在咚长骞惫 溪凌下较逡予1 。 ( 2 ) 疲劳链毙 会羼麓疲劳一毅姥较鹱显，赞裂悬念簸叠缕褥受控一经痰势避，箕痰磐麓瘦 会急尉下黼，餐复合孝尊黼般都盛承有优良的疲势性蕊。对于常用的纤维控制 黪多舞艨念嘏，程投氆液莠下，宅裁谯簸天痘为湾8 蝴投袋撼镩强度靛载赫下 承受l 扩次獯巧。在拉。艨或压一撬疲焚下，其疲劳强发酶燕一堡。经l 次辩痰 瓣疲劳强壤鹭不诋予耱艨静强囊戆。 环境影翡 除了檄商的滠菠，一般不考虑瀑热对金属强艘浆影嘲。懒复合材料巾蚋基 俸不仅黠潍凄敏感，瑟显容易吸羧阂困磷境中的零分。黧嚣奁瀑熬巧夔条终下， 建 萎薅控潮黥力学蛙裁魏蘧臻、赘秘等会硬显下辫； ( 6 ) 分散性 复合耱籽静臻瘦恭 疲劳强度戆分教榷筠高于耩，褥麓题疲劳强震芄为突 撼，嚣她程对复会睾| 辩然秘述纾疲势验谖辩，豫潦余分教系数静，寅霹述考虑 载旖放大系数。 1 3 3 复合材料结构的损伤检查 能够澄簿捡豢舀簧鸯李辛精缝梅豹蒺臻，准确浮镳摸臻耧凌，并采取鞫疲豹 缀修措施，是保诞飞橇飞行安全的黧瑟环节。捡焱复合耪搴幸损伤的主要方法肖； 嚣襁检查采掰融视检套髫以发臻撞击损伤、压痕、擦伤、边缘分屡、 边缘脱胶、裂纹、紧固律按伤、甏击帮浇伤等损伤。脊孵述宓须借助其 惠工吴，魏手漱簿、复巍镶、放大镜、内窥镜等辏魏王爨。 渗逶捡溺将释鑫有染瓣竣荧建羚懿渗遴裁涂程拇 串袭嚣上，渗透裁 w 渗透表筒膏- 歼鞠的损伤或缺陷巾；然籍去摔构件袭褥上多余的渗透 刺，再在构件淡聪上涂一艨鼹象刹，损伤域缺陷中豹渗遴测在毛缨螺用 1 6 鞭就= c 妊犬攀硬士论空 下被羹新吸附鄹构律表蕊主，献而形成散大了酾损伤躐缺陷显示。这种 捻鸯方法被称麓渗透梭测法。渗透法可鞋检查逝椽搏畿爝鲍裂纹、飘溺、 藏松、麓费等淡嚣攥臻。逮豢、藐捡蠢爨臻臻或缺戆懿最，l 、建寸为深 0 , 0 2 t n t ( 2 0 , u m ) ，蠢0 0 0 im m 【f 删】。芯子熬力学拣麓与它熬密度尹( k g ! m 3 ) 毒关。 密度大，力学性能好。对于正六边形格子蜂窝芯，芯予密度为 p = 熹艏。b ) ( 2 - i ) p 2 j 万“m 其巾，“为芯蒲材辩密度( 1 ( g 翩3 ) ，t 。为芯箔材群厚度( 荦僚：r a m ) 6 为格 予边聚( 荸位：r a m ) ，p 一敷由试验壤握珙。 2 1 2 夹层结构破坏模式 露踅豹酸舔模式莛； ( 1 ) 芯子翦切破坏； ( 2 ) 芯子弱帮脱精或歪蹋； ( 3 ) 面板破坏； ( 4 ) 面板超皱失稳； ( 5 ) 嚣投捂闯失稳。 2 ，l 。3 强度校核 ( 1 ) 蕊叛强度校核 按一般的扳强度校核。 ( 2 ) 蜂窝蕊子强壤校核 有限冗分析求出芯子应力f 。、r 。、仃。，但由于芯子体元自身坐标x , y , z 羰辑辩l ，w ，t 不一定羹合，哥将庶力转换在l ，w ，t 坐稼系中输密fl tr w t ， 盯t 。 o - t f cs 拶c ( 2 2 ) 其中，f e 为修正因子，f c = 1 0 2 ，0 ，有限元模型中，当芯子单层，分割，且 法向载荷加单面时f c = 2 0 。 一2 5 ， 瓣裁王韭太学蘸二 论文 fl tg 【fl t 】x o 7 f w t 【f w t p ( o 7 ( 3 ) 芯予局部强度 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 芯子不允许蹙集中力，一般要通过集中传力构件( 如梁，肋，嵌入物) 将 茭扩教t 闲莛，在集串梭释薤要鼹芯子遴行校孩。魏强2 - - 4 嵌入镑连接受载， 芯子受较大剪切应力f ，在上面嵌入物垮芯子接触处压威力为口。 。2 彳崩】 ( 2 _ 5 ) 一p 仁降钢 ， 其孛h 为芯子毫度，d 、d 爱；盈2 4 。 整2 - 4 嵌夫翻瓣受载 2 1 4 稳定分析 ( 1 )丽板“总体”失稳 全嘉发翼覆蜂窝夹层结稳，一般是受发霹称载麓( 势力、弯、攫矩) 俸震， 兴层结构沿中面轴线方向的总体失稳是不可能出现的。但是，受压面的颟板沿 瑟面板辙线方囱失稳是完全可麓熊。如圈2 - - 5 掰汞，我雷j 称为面板“总体”失 稳。对于髂个夹艨结构来说，它赵“局部”失稳；受拉面板，不存在稳定阉题。 p lflf 嚣鸵= 盈丈学矮论文 粥2 - 5 黼板簟总体狭稳 这秽失稳豹力学模型：强2 6 中，憨板失稳豹力学分叛模型可议为支持在 弹性基础( 蜂窝芯) 上板的稳定问题，如图2 6 所示，可用有限元或其谨方法 袋解；弱秀限元法求薅辩，不必将其芯予豹弹魏瓣g 凄求滋，瑟囊接将芯子律荛 “特殊体元”和下翼面面板元素计入。缀分析，已得到满意的精度。 圈2 - 6弹性蒸弛上的摄 ( 2 ) 丽板局部失稳 如恧扳起皱、嚣板孔阅皱叛等，参见“强度计算手册”，并建议采用参考文 献“b r u h n e e a n a l y s i sa n dd e s i g nf l i g h tv e h i c l es t r u c t u r e t r i - s t a t eo f f s e t c o m p a n y , 1 9 7 3 ”孛獒方法。 茜北工业大学硕士论文 2 3 蜂窝夹层结构某些强度问题 2 3 1制造容差及制造缺陷 对于特定的蜂窝夹层结构，要规定具体的技术要求及制造容差，即缺陷多 大可以使用，其要求非常严格。设计者必须了解这些要求。例如，板一芯脱粘 多大面积可用、芯格接触脱粘多大可用、板一芯配合尺寸缺陷多大可用等等。 实际制造及使用中发现的缺陷和损伤要大于容差。设计者如何补救，如何分析 其影响，这是至关重要的。因此，实际应用中要求设计者回答：这些缺陷或损 伤可用否，如何补救，修补后的强度如何? 应该指出，这些问题是复杂的，是属于损伤力学问题。要求通过大量试验、 使用经验积累和理论分析才能解决。这里仅提出某些缺陷( 或损伤) 的强度问 题及解决意见。 2 3 2 芯子与骨架配合超差 a 芯子正差：技术要求是很严格的，一般高出0 2 m m 以内允许。实际制造 中，可能远超出此要求。山于型面高度要求，制造中必须将芯子局部压缩，如 图2 8 所示。图中d 为高出部分，也是芯格压皱部分，d 应多大? 一般来说，若 胶形成的胶瘤尺寸d ( 见图2 7 右图示)满足条件d 2 2 o d ，从强度观点来说， 使用是没有问题的。 蹦2 - 7 芯子压皱 胶瘤高度d 西北工业大学硕： ：论文 b 芯子负差：技术要求很严格，实际制造中芯子比要求的低，要求进行补救。 实际试验结果表明，当负差d 1 2 m m 时，采用局部胶膜填充，强度不会降低， 因为胶的强度远大于芯子强度：若负差d 1 2 m m 时，要求补片，如图2 8 所示。 并要求胶层l 的强度大于胶层2 。 当补片太厚时，会造成补片和面板间附加局部应力，会引起脱开，这必须 进行试验确定具体尺寸要求； 2 3 3 板芯脱粘 圈2 - 8芯子负差补片 这是严重的制造缺陷，技术要求非常严格。在脱开边界处，由于剪切力、 剥离力和拉力共同作用下，脱粘会进一步扩展。如图2 - 9 所示。要求对脱粘处 进行计算，脱粘边界在这些力共同作用下是否会扩展。在计算之前，要通过试 验确定在剪应力r 、剥离力n 。和拉力( 吸力q ) 共同作用下的强度条件： f ( f ，n p ，q ，l ) 2 b( 2 - 7 ) 其中，l 为脱粘的几何参数，b 为某特征强度值。 醯- - - - 幽 受戴前受载后 幽2 - 9 芯子脱粘 蒋托芏姓犬学硬士论文 2 3 4 芯子压塌 魏凿2 - i o ( a ) 掰忝，蕊子禺辩趱壤，毽寒趱旗。姿瓣教受援戏宠( 竣努痰杰 瓣) ，摄爆帮努蒙受不煞绩力，璐麴了匾塌逮嚣瘸露辩铡覆糕疲力及蕊予缴力： 当面板受拉应力和气渤i 殁力q ，压塌部分尚能传裁，因此，在处耀生产问题和进 孬嚣彝分氍露簧建壹遥警煞力攀挨麓，逛要逶避鍪要懿瀵验骏涯： 麟燮 魑画 翻2 ， 0 薄释辏避 2 3 ，5 芯子壁接触羧糙 懿躐2 d o ( b ) 搿承，楚垂予蕊赣游嚣之瓣寒羧往造蕊，逮黪壤蕊予t t 鬟秘* ， 对传剪也燧不利的。猩外载作用下裂口可能会向深度或宽度方向扩展，要通道 盛要试验期磐橇，塔瓣逛碍蘸翁是诲尺霹。 2 。毒磁冁嚣方法 2 , 4 。i 宥限元素法酶概念 有限党索法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 义称谢暇元法戏霄簸罐元法。该方法 麓墓奉恿黪是凳一兮绥椽粪鼗经鸷逡簿凝令元素瀵过毒漆争繁蠡连接嚣等羧黎 台体，缀成该集台体的器元素的弹性特性，能邋激节点的有限个参数用矩阵掰 一3 8 西北工业大学硕j 1 论文 式表示出来，当他们根据力学的基本定理按一定的规律组合在一起时，反映了 结构的真实受力状态，求解等效集合体的特征方程，从而可得结构的解，这种 方法称为有限元素法f 3 7 l 。它是在经典的力学原理基础之上，以计算机为工具， 简便而有效的对复杂工程结构问题进行数值分析的方法。 用有限元法求解问题的分析过程，概括起来可以分为以下几步3 8 l ： 1 结构的离散化。 有限元法的第一步是把要分析的结构划分成有限个单元体，并在单元的指 定位最设置节点，把相邻单元在节点处连接起来组成单元的集合体，也即用适 当的元素把结构模型化，以代替原来的结构。 2 选择位移函数。 为了能用节点位移来表示单元内任意一点的位移、应变和应力，首先假定 单元内任意一点的位移是坐标的某种简单函数，称之为位移函数。即 厂) = 【】 瓯) ( 2 8 ) 式中，扩 为单元内任意一点的位移列矩阵，娩) 为单元的节点位移列矩阵， 【】为形状函数矩阵。 3 分析单元的力学特征 主要包括： 利用弹性力学的几何方程，导出用节点位移表示的单元应变，即 扛 = 陋) ( 2 9 ) 式中，陋】为几何矩阵。利用物理方程，导出用节点位移表示的单元应力 = 【d i 口) = p 髓 ( 2 1 0 ) 式中，p 】为单元应力矩阵。 利用虚功方程建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单 - 3 1 西北工业大学硕士论文 元的刚度方程，从而推导出单元的刚度矩阵。 纽) = k ( 2 一i i ) 【k 。】= 肛y d i b u v ( 2 _ 1 2 ) 式中，k 】为单元刚度矩阵。 4 计算等效节点载荷 连续弹性体经过离散化以后，便假定力是通过节点从一个单元传递到另一 个单，i 。但烂实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。凶 此，作川i 饥i 丫i 冗1 ：的集小力、体积力以及作用在- v 元边界j 二的表面力，都必须 等效的移 i i ! 到节点卜女，形成等效的节点载荷。 5帮仆分析 集合所有i 丫f 元的刚度方程，建奇整个结构的平衡方程，从而形成了总体刚 度矩阵。即 k p ) = 尸 ( 2 1 3 ) 式中，k 】为全结构的总体刚度矩阵，p 为全结构节点位移列矩阵， e h 全结构的等效节点载荷列矩阵。 6 应用位移边界条件 应用位移边界条件，消除总体刚度矩阵的奇异性，使得( 2 1 3 ) 式可解。 7 求解结构平衡方程 结构的平衡方程是以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程组，解这个方程 组可以求得未知的节点位移。 8 计算单元应力 按( 2 1 0 ) 式由节点位移求出单元的应力。 嚣l 王韭太学疆士瓷交 2 。4 。2 全高度蜂窝夹层结构有限元模型 馨髓罄速采蠲豹方法是：嚣教岛芯予襄敷为攀燕熬元素。露蔽强乎蠢瘫力 单元( 如m s c n a s t r a n 中的q u a d 4 绒t r i a 3 单元) ；芯予用“特殊体冗”。 般在会离度方离仅分赛一“爱”侮元，羞芯予荔度太大，魄霹多“量”分裁， 如图2 l1 ( a ) ，( b ) 泳。 盘子匡矿f iv l 迎 c o 拳攥势寄硅睡) 移罄c 攥) 势割 2 。4 破蝽判瑟 援2 - 1 1 落寻势载 在计算含孔剩裂纹簸合材料艨燃投豹嬲余强艘鼹，王程上一般是毙道邀有 袋元法或其它数壤方法褥戮魏日逑缘或裂纹尖壤鹣最大圭应力，然磊蘩穰一耱 逶姿熬皴榷嬲羲避孬剩余强震嚣雾。囊予复会謇嚣辩匏各爨舅搜秘 兹匀瞧，豁 及不同予疵属的独特的破坏机理和复杂的破坏模战，使得复合材料断裂问燧尤 篡是屡瓣麟裂疑嚣交缮卡努复杂。疆蔫，鏊蠹黔学者鼹敲翁大爨鹾究籁掇圣尊一 般都是从宏观断裂力学出发，假设复合材料为连续、匀质、线弹性的各向辩性 体。忽略其菲匀质性，撼蹬了许多夔台材料破坏剡据，翔：平均威力判据l 删、 点盛力剿攥婀、羧爨影戆谈坏爨鬟鼬3 越、揍侮嚣纾缝繇襞判鬟p i l 、建交能密 度判据h 唧裙。其中，对于礼一类的缺口强度分祈，目前工程界威用最广泛的是 蕊于特缝尺寸豹嗲均巍力刿撂积点黩力粼摇。 疆北王韭大学硕士论文 1 平均应力判掰： 孚均懋力翔撵镁愆躐嵩琵边或糕绽灸端菜特征长度之内戆平缘成为达 戮无疑嗣蹑垂叛豹凝鞭强度以对，鼷厦扳玻帮，帮： 鼍r 。是鼬飞 ( 2 1 4 ) 式巾；吒冬，o ) 必客皱丑豹鬣小截蘑主嚣y 方内应力分露；嚣麓获翻尺寸， 对魏巍拳经，黠巾心裂绞蔻裘纹拳长：壤努跨诬长裹，逡试瓣确定。 2 点应力破坏判据： 焦艨力粼摄瑕定鼷逡琵透或装纹尖端菜一特镬长壤成处的应力一，这戮无 缺臼罄聪檄极隈强度簿，屡蕊板黻环，郢 蛙p 0 , , o i 。t 。= 岱i ( 2 5 ) 式巾；4 0 ，o ) 为食缺臼豹最蠢、滚露上豹y 方翔应力分蠢；蠢麓挟翻必寸， 聪耗为半径，对中心裂纹为裂纹举长；磊为特征装发，波实验礁定。 - 3 雌一 西北工业大学硕士论文 第三章板芯脱粘的修补技术研究 内容提要】提出复合材料面板与蜂窝芯脱粘或弱粘接的修理方法和修理要 求，用m s c n a s t r a n 有限元程序对复合材料面板与蜂窝芯脱粘或弱粘接修补 以后的剩余强度进行了计算同时讨论了在承受单向拉伸载荷和弯，剪复合作用 下，修补不同直径含孔板、修补含孔板的长方形补片厚度、补片铺排方式对修补 效果的影响本章还考虑了在型号应用中的腹鳍剥离强度问题。 3 1 修理方法及修理要求 修理方法及修理要求是针对某型号工程复合材料制件( 尤其是方向舵和腹 鳍) 出现面板与蜂窝脱粘或弱粘接的情况比较多，不仅不能满足设计要求，而 且造成了比较高的报废率而提出的修补技术。目前修补技术的研究是根据工程 实际提出的试验件基础上进行的。本论文的重点是对修补进行理论上的研究。 3 1 1 修理方法 对复合材料面板与蜂窝芯脱粘或弱粘接修补，采用非穿透性损伤挖补修理。 挖补修理适用于修理损伤面积较大、情况较严重的损伤，由于这种方法一般采 用预浸料作为修理材料，因此对于修理曲率较大或有气动外形要求的表面具有 一定的优越性，而且可以最小的增重量，最大限度地恢复结构的强度。 3 1 2 修理要求 1 )挖去图3 2 中一块直径为d 1 5 0 的圆的复合材料蒙皮，蒙皮修理区域夹角 两北下业夫喾颁l 论宣 为2 眠觅同3 - ! 。修瑚内蒙皮和修理斜粥接区庇紧密贿台，内蒙皮表丽 斑与愿试验 睾淡灏乎赛，势兔圣等抒跨磐蠖内蒙皮熬黏念疆。 强3 一l黎皮髂理送域涎楚 2 ) 潜遴蜂窝蕊表露及蔽接夔蒙蔽表瑟，霆密薅窝芯辏，按照瓣藏滚毒公霹复 合搴葶辩穆疆清瓒癸蓠翡方法邈 亍修补髓黪漓理工俸。清璇聪豹蜂窝芯勰度 成不低予原高度0 3 m m 。 3 ) 当修理蜃戆蜂鬻蕊嵩度穗子骚蔫醚0 3 黼瓣，将蜂鬻愁继续镌锈至低予豢 黼胰2 3 m m ，允诲用j l1 8 带状泡沫胶壤宠至原来的黼魔，再按照疆常 的修理步骤进行厢续工作。 4 糁疆疼蒙瘦每蜂窝蕊之麓箨j - l i r a 荻骥，攀爱浮壤0 。3 5 r a m ；嫠璞蠹蒙皮 和斜搭接区蒙皮用j _ 1 1 6 a 胶膜，单层厚度0 3 5 m m 。胶接嗣化后做无损检 测* 绘篷纛犊援测缀告。京满怒囊合耪辩搜零条转露一x 一3 弘g 麓癸 蘩瓣方霹遵毒亍嚣嚣熬工痒。 5 ) 修鬻试验彳牟外蒙蔽晦修理试簸彳牟蒙皮之闻掰j 一11 6 b 胶胺，单层厚度 0 t 5 m m ；胶接固化艨进行无授梭测，给出无撰检测报告。按技零条件j 卜 x 3 0 一豹黉求逶孬验浚。 一3 s 一 翌! ! 王些查兰鎏! 篓苎 一 3 2 结构非穿透性损伤挖补有限元模型 3 2 。1 扳芯麟融修李 试验件设诗 1 ) 修理试验传凡秘尺寸如熙3 - 2 魇汞，投芯腿粘鳍瑾试骏件的蒙皮、修替 痰蒙痰鹳冗傍筵寸按照整3 ，2 尺寸送费裁遥，蘩蓬试验释静蒙霾、修昝 内蒙皮以及修羚终蒙技妻每浮廉为镰厚，蜂窝芯於形霆警熬靛，没鸯下黧。 2 ) 修理试验件蒙皮 李孝瓣t 3 0 0 q y 8 9 t t ，肇鼷簿疫秀e 。1 2 r a m 。试验静簿； 【* 4 5 4 5 9 0 4 5 * 4 5 ，共5 层。 必寸秘方游蔸瓣3 - 2 。 3 ) 蜂窝芯 材料n r h - 3 - 4 8 ，蜂窝尺寸尾图3 - 2 4 ) 试验释修於内蒙皮 枣季t 4t 3 0 0 q y 8 9 1 1 ，革艨爆度8 为0 1 2 m m 。 f - 4 5 4 5 9 0 4 5 - 4 5 ，共5 溱 尺寸和方自觉薅3 - 2 中挖 区d 1 5 0 秘试骏释戆耱终蒙鹰 材料t 3 0 0 q y 8 9 1 1 ，单层厚度6 为o 1 2 r a m 。 f 4 5 - 4 5 9 0 - 4 5 4 5 t 共5 屡 足寸秘方囱凳阉3 - 3 。 6 ) 修煺试验件肋 4 5 0 毫皋长翡耢； + _ - 4 5 1 4 5 9 0 影譬e - 4 5 0 。荚t 6 鼹； 3 0 0 毫米长的胸； + _ 4 5 4 5 一4 5 9 0 0 s ，共1 0 慧； 赫豹乎瓣足寸秘态度尺寸菇溺3 一所示。 7 ) 蒙皮与蜂窝之阅熙2 - t1 6 a 胶艨，攀层厚壤0 3 5 嘲；蒙痰与题之蠲震 1 6 b 胶蔟，零避筹度0 1 5 m m ；蜂窝与齄之黼用j 一11 8 带、欹泡沫胶，荦层 厚度l 。5 m m 。按文件 j t x 3 0 一9 的要求避行验收 3 7 ， 甄乾妲太学颀士论文 o !；争 k o 卜 l 。j 蠢茎l 耀x l， 鹫螂l， | o w h p 崎 锵 义蓍 扩 瓣 f 誉厂 o o 辫3 - 2修羚试验静足寸 一3 8 蹶托薯妲太拳硬士论u 文 科 酸 删 一 o o l 7， ，1 菱r j 蚤 静 h 稻 糠 图3 - 3修补试验件修补外蒙皮铺层阁 + 3 擎- 。、。一1 瓣就王盐大学磺圭论文 嗵 器 l 一 h 舟 d 、 o o n 卜 挈挈莹各耋章名s 璺昌喜章莹章甘甘廿昏舟叶研”可了可 4 5 0 毫米长载麓：【4 5 4 s 9 0 内1 9 0 1 - 4 5 0 。，茭1 6 臻； 3 0 0 毫米长的肋： 4 5 4 5 一4 5 9 0 0 s ，共1 0 层： 强3 - # 诊霉 验静肋镰屡鞠 - 4 0 一 ， i 一 工 西北t 业大学硕l ：论文 3 2 2 有限元模型 复合材料修理方法有多种，本论文将重点讨论非穿透性损伤挖补修理。 在建立非穿透性损伤挖补修理结构的有限元模型方面，为真实模拟修补结 构传力特点，采用三维六面体元建立蜂窝结构的有限元模型，采用四节点板弯 元模拟复合材料面板，为了模拟修补的粘接面，细化粘接面模型，采用粘接面 分层建模，用m p c 卡在x ，y z 三个自由度方向对连接补片和原开孔结构建立分 界面，由此建立的模型可以很好地模拟真实情况。有限元模型图见图3 5 。计 算研究的重点在于孔的修理，因此有限元分析中未考虑肋结构的模拟。 图3 5 有限元模型 4 1 嚣张王监 丈举醺l ：论文 3 ，3 瓣含藐结构的修补参数分析 在辩禽魏绩稳熬黪秘参数分攒垮，蹲扳及熟砖麓耱鹣帮跫t 3 0 0 q y 8 9 1 1 。 母板的铺层形式为卜4 5 4 5 ，9 0 4 5 一4 5 】。其完好板的极限强度为5 4 8 9 m p a ，蜂 鬻蕊翦耪n r h 。3 4 8 。滚搂鸳叛与蛰片豹糖接覆挝予手l 爨每静片逑缘影残抟m p c 专连接隧分界蕊上。 袭3 1 给出了t 3 0 0 q y 8 9 1 l 的力学性能数撼。 性能 数攘 性能 数僮 & ( o p a ) 1 3 5 0 x ( m p a ) 1 5 4 8 。0 嚣2 ( g p a ) 8 s x e ( m p a ) 1 2 2 6 0 g t 2 ( g p a ) 4 5 y t ( m p a ) 5 5 5 主浓橙t t ：f 。 0 3 3 y 。( m p a ) 2 l s 。o s ( m p a ) 8 9 ，9 3 3 1投伸载蘅下枣 片铺鼷对修枣 效果的影响 为了分析补衍铺屡禚拉伸载荷作用下对修补效果的影响，本文分别计算了 糕露铺爨的母投_ 稀蜂窝掰不露镳璎驹褡冀修钤以嚣敲裂余强度。裘3 2 副表3 4 绘出了德褥件豹凡傅尺寸和材料特谯。躜3 - 6 给出了箍 枣载祷 筝孀下上、下面 教及豁片为5 屡镪层静黩力云图，辫3 7 给甾了糍控 睾载祷律嬲下不同拜魏誊 径强度後整系数隧铺艨鲍变诧翘律。 塑苎! ：些叁兰堡：! ：丝苎 图3 - 6 拉伸载荷下的应力云图 表3 - 25 层铺层修补件的几何尺寸和材料特性 材料 t 3 0 0 q y 8 9 11 尺寸( 长宽) 3 0 0 3 0 0 母板 孔直径( m m ) 1 5 0 、1 2 0 、1 0 0 铺排方式 - 4 5 4 5 9 0 4 5 一4 5 】 材料 t 3 0 0 q y 8 9 11 补片单层厚度( m m )0 1 2 5 铺排方式 - 4 5 4 5 9 0 4 5 一4 5 】 粘接胶 材料j l l 6 - 4 3 两北_ t 业大学碳f 论文 表3 38 层铺层修补件的几何尺寸和材料特性 材料 t 3 0 0 q y 8 9 1 1 尺寸( 长宽)3 0 0 x3 0 0 母板 孔直径( r a m )1 5 0 、1 2 0 、1 0 0 铺排方式 - 4 5 4 5 9 0 4 5 一4 5 】 材料 t 3 0 0 q y 8 9 11 补片单层厚度( m m )o 1 2 5 铺排方式 卜4 5 ，4 5 9 0 o ，o ，9 0 ，4 5 ，一4 5 】 粘接胶材料j l l 6 表3 31 0 层铺层修补件的几何尺寸和材料特性 材料 t 3 0 0 q y 8 9 1 1 尺寸( 长宽) 3 0 0 3 0 0 母板 孔直径( m m ) 1 5 0 、1 2 0 、1 0 0 铺排方式 - 4 5 4 5 9 0 4 5 一4 5 】 材料 t 3 0 0 q y 8 9 11 补片单层厚度( r a m )0 1 2 5 铺排方式 _ 4 5 4