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曲面复合材料胶接修理的力学分析与参数优化

程起有  
【摘要】:复合材料胶接修理技术已经被应用于修理受损的金属或复合材料构件,以用来恢复受损构件的强度和刚度。但是,目前对于复合材料修理的研究大多限于平板结构,而对曲面结构修理所做的研究非常有限,所以迫切需要开展这方面的研究。本文结合航空科学基金项目:“复合材料结构维修技术研究”,采用三维有限元方法,研究了曲面复合材料胶接修理中,胶接参数对修理效果的影响。 考虑到曲面复合材料的外形特殊性,及胶接修理的特点,建立了修理结构的力学分析模型:“三实体模型”。利用两个典型的修理实例对所建的力学分析模型进行了验证,结果表明:该模型计算结果准确可靠,适合于工程应用。 采用该模型计算了贴补修理和挖补修理两种典型的胶接修理方式中,胶接参数对修理效果的影响。 在贴补修理中,分析了补片的尺寸、楔形角、结构曲率及胶接缺陷等因素对胶接修理效果的影响。同时对比了单—双面胶接修理的效果。结果表明:①补片的大小和厚度对修理效果的影响最大,修理效果随着它们的值增大而增大,但不能太大,当周向尺寸为孔径的3倍、轴向尺寸为孔径的2倍、厚度取母板的一半时,修理效果最好。②楔形补片能提高修理效果,根据计算结果,补片的楔形角取10度较合适。③一般情况下,补片采用和母板相同的铺层设计。④结构的曲率越大,相同的修理工艺能取得更好的效果。⑤当存在胶接缺陷(尤其缺陷存在于胶层的周向边缘时)时会降低修理效果。⑥双面修理的效果要比单面修理的效果要好,如果条件允许,最好采用双面修理。 分析了挖补修理中,补片的铺层阶差值、胶层的厚度及结构曲率的大小对胶接修理效果的影响。结果表明:①补片的铺层阶差值是影响修理效果最主要的因素,挖补效果随着阶差值增大而提高。阶差有一个最佳值,一般取单层层合板厚度的6倍。②胶层的厚度对挖补修理的效果影响不大。③在相同的修理条件下,结构曲率越大,修理效果越好。 本文的研究工作为工程实际应用提供了借鉴,同时也为下一步的研究工作奠定了基础。


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