劉禮平 王宇燦

摘要：論文以飛機復合材料蒙皮為研究對象，研究探討含穿透性孔損傷的復合材料蒙皮的修理方法。由于膠鉚混合修理傳力機制較為復雜，故只針對簡單的含穿透性孔損傷的復合材料層合板平板的模型進行相關力學性能分析研究，研究膠鉚混合修理的修理效果。論文基于ANSYS12.0軟件有限元分析軟件進行相關建模和有限元分析，對膠鉚混合修理方式進行研究。

Research on Hybrid Repair of Composite Skin Fuselage

Abstract In this paper，the composite material skin of the aircraft is taken as the research object，and the repair method of the composite skin with penetrating hole damage is studied. Because of the complexity of the mechanism of adhesive-rivet hybrid repair，it is only for the simple mechanical properties of composite laminates with penetrating holes. The thickness of laminates are studied. To study its effect on adhesive-rivet hybrid repair. Based on ANSYS12.0 finite element analysis software，the correlation modeling and finite element analysis are carried out. The effect of different thickness laminates on the mechanical properties is studied.

1 背景內(nèi)容

1.1 復合材料膠鉚混合修理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比

復合材料由于其比強度和比剛度高、抗疲勞性、減振性和熱穩(wěn)定性好等特點，使其在航空航天域應用廣泛[1-7]。波音787占飛機結構重量的50%使用復合材料[4-8]。大型民航客機大量的使用復合材料，必將使航空公司和航空維修企業(yè)由傳統(tǒng)的主要對金屬結構的維護與修理轉(zhuǎn)到主要對復合材料的維護和修理。

目前，復合材料的修理方式通常有膠接修理、機械修理和機械-膠混合修理三種方式。這三種修理方式各自有其獨特的優(yōu)點，由于膠接修理的修理手段多樣，不僅能夠在時間緊、任務急的情況下采用臨時貼補修理來處理損傷不嚴重的情況，而且還可以通過永久挖補修理的方式最大效率的恢復結構強度且能夠?qū)鈩油庑我筝^高的蒙皮表面進行有效處理而被廣泛采用。在復合材料膠鉚混合修理的研究中，Kweon J H，Jung J W[8-13]兩位學者在研究文獻中研究了膠層材料對膠螺混合連接接頭的性能影響。白瑞祥、郭兆璞等人[14-15]對復合材料層合板、殼膠鉚混合連接件進行了有限元分析；從中可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有大部分的研究人員的研究還不夠深入，所以，復合材料機身蒙皮混合修理的研究是十分具有現(xiàn)實意義的。

1.2 本文主要研究內(nèi)容

本文基于ANSYS12.0主要對復合材料膠鉚混合修理進行有限元仿真分析，以復合材料機身蒙皮的單側貼補法為研究背景，以復合材料含穿透性孔損傷的層合板為基本模型，對膠鉚混合修理進行力學性能特性分析，研究膠鉚混合修理對復合材料模型的應力分布的影響。

2 有限元模型

2.1 力學性能參數(shù)選擇

根據(jù)相關文獻和實驗結論，膠接修理效果并不隨著膠層厚度的增加一直提高，通常膠層厚度取0.1mm-0.15mm，為方便建模，論文中膠層厚度取0.1mm。膠層材料采用 EC3448，其力學性能參數(shù)如表2-2所示。

2.2 膠鉚混合修理有限元建模

膠鉚混合修理有限元模型中，層合板、膠層和補片都采用掃掠式網(wǎng)格劃分方法，膠層和層合板及補片的接觸類型為Bond（always）接觸，鉚釘和其他部件的接觸部位定義的接觸類型為standard接觸。膠鉚混合有限元模型中各部件的有限元模型如圖2-2所示，圖2-3是各部件的網(wǎng)格劃分狀態(tài)。

3 加載和結果分析

膠鉚混合修理模型先對層合板四周進行固支，再對鉚接模型的釘頭所在的一側平面進行外部加載大小為0.06MPa的均布載荷。然后進行分析計算，得出相關的應力云圖。圖3-1顯示了層合板每一層的應力分布云圖。

由8層層合板每一層的Von-mises等效應力云圖易知每一層的應力分布，應力較大的區(qū)域分布在四周固支區(qū)域和補片貼補區(qū)域邊緣區(qū)域，四顆鉚釘?shù)囊霙]有明顯改變低應力區(qū)的分布，同時可以通過應力云圖可以得知每一層的最大最小應力，如表3-1所示。

由表3-1易知，膠鉚混合修理的復合材料鋪層最大應力發(fā)生在第6層，大小為4479MPa，膠層鋪層最大應力發(fā)生在第2層，大小為223.592MPa。膠鉚混合修理用于膠接的單層膠層的等效應力圖如圖3-2，膠層的剝離應力圖如圖3-3所示。

由圖3-2和圖3-3易知，膠層的最大等效應力為60.355MPa，最大剝離應力為42.511MPa，最大剝離應力已經(jīng)大于膠層所允許的最大應力6.8MPa，故膠層已經(jīng)發(fā)生破壞失效。

參考文獻

[1] 王善元，張汝光等. 纖維增強復合材料[M]. 上海：中國紡織大學出版社，1998.

[2] 蘇小萍. 碳纖維復合材料的應用現(xiàn)狀[J]. 高科技纖維與應用，2004，29（5）：34-38.

[3] 范玉青. 超大型復合材料機體部件應用技術的新進展[J]. 航空學報，2009，30（3）：534-543.

[4] 顧超英. 碳纖維復合材料在航空航天領域的開發(fā)與應用[J]. 化工文摘，2009，1：17-18.

[5] 杜善義. 先進復合材料與航空航天[J]. 復合材枓學報，2007，1：1-12.

[6] 范玉青. 波音787復材機身段的制造技術[J]. 航空制造技術，2011，15：26-29.

[7] 林德春，潘鼎，高健等. 碳纖維復合材料在航空航天領域的應用[J]. 玻璃鋼，2007，1：18-28.

[8] 馮軍. 復合材料技術在當代飛機結構上的應用[J]. 航空制造技術，2009，22：40-42.

[9] Kelly G.Load transfer in hybrid（bonded/bolted）composite single-lap joints[J].Composite Structures，2005，69（1）：35-43.

[10] Gomez S，Onoro J，et al.A simple mechanical model of a structures hybrid adhesive/riveted single lap joint[J].International Journal of Adhesion&Adhesives，2007，27（4）：263-267.

[11] Barut A，Madenci E.Analysis of bolted-bonded composite single lap joints under combined in-plane and transverse loading[J].Composite Structures，2009，88（4）：579-594.

[12] Ding K，Dhanasekar M.Flexural behavior of bonded-bolted butt joints due to bolt looseness[J].Advances in Engineering Software，2007，38（8-9）：598-606.

[13] Kweon J H，Jung J W.Failure of carbon composite-to-aluminum joints with combined mechanical fastening and adhesive bonding[J].Composite Structures，2006，75（1/2/3/4）：192-198.

[14] 黃文俊，程小全等.復合材料混合連接結構拉伸性能與影響因素分析[J].北京航空航天大學學報，2013，39（10）：1408-1413.

[15] 白瑞祥，郭兆璞等.復合材料層合板、殼膠HYPERLINK "http：//epub.cnki.net/kns/detail/detail.aspx？QueryID=2&CurRec=4&recid=&FileName=DLLG200003010&DbName=CJFD2000&DbCode=CJFQ&pr="-HYPERLINK "http：//epub.cnki.net/kns/detail/detail.aspx？QueryID=2&CurRec=4&recid=&FileName=DLLG200003010&DbName=CJFD2000&DbCode=CJFQ&pr="鉚混合連接件有限元分析[J].大連理工大學學報，2000，40（3）：280-284.

[16] 馬毓，趙啟林.復合材料膠HYPERLINK "http：//epub.cnki.net/kns/detail/detail.aspx？QueryID=2&CurRec=6&recid=&FileName=FUHE201104039&DbName=CJFD2011&DbCode=CJFQ&pr="-HYPERLINK "http：//epub.cnki.net/kns/detail/detail.aspx？QueryID=2&CurRec=6&recid=&FileName=FUHE201104039&DbName=CJFD2011&DbCode=CJFQ&pr="螺混合連接接頭承載力分析[J].復合材料學報，2011，28（4）：225-230.

（作者單位：中國民航大學航空工程學院）