损伤金属的复合材料贴片修补技术研究

1.静强度对比试验 逐渐增大载荷，直 至裂纹处发生断裂。 2.疲劳寿命试验 选择加载频率为 20Hz来自百度文库正弦波，最大 载荷30kN，载荷比0.1 。
通过金属材料裂纹板 胶接修补前后的静强度 和疲劳寿命对比试验,验 证了这种修补方法的可 行性和有效性。
2.将裂纹板表面处理干净 ，把粘有胶膜的贴片贴到 修补部位，赶走胶层中的 气泡，压紧固定。进行试 验。
能优异的工艺及设备和性能稳定的后固化与检测设备。
3 制定关于补片尺寸与铺层参数选取技术的规范，建立
一套固定的行之有效的修补工艺标准。
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2.应力强度因子范围
K f (
3.疲劳寿命
2a ) a W
首先利用ANSYS建立以裂 纹长度为参数的有限元分 析模型并对修复结构进行 应力分析；其次计算应力 强度因子范围；最后采用 Paris公式，经过积分后得 到疲劳寿命。
4.判断依据
K )q ac (1 R) KC Nf da a0 Kth p m m C (1 f ) K (1 ) K (1 R)m (1
计算工作量大大降低。
K y
当
c
c
c
y c K0
c
K y
当
c
K y
c
c
y K
试验 分析
试验流程
试验准备
结果分析
1.裂纹板LY12CZ铝合金长 方形板,板中心用必1钻头 钻一圆孔,并用钨丝切割出 一条人工裂纹；复合材料 补片采用T300/QY8911碳 /环氧单向层合板。
计算结果对比 本文的近似计算 结果有限元分析结果 基本一致，最大误差 在10%以内，能满足 工程应用的要求，但
1.根据接头的胶接理论, 可采 用刚性胶接模型,即假定金属 板与复合材料补片之间没有相 对位移。
2.修补面积较小，假设金属板 为无限大板 3.板厚较小，假设金属板处于 广义平面应力状态,沿板厚度 方向应力均匀分布。 4.假定复合材料补片为正交各 向异性材料
4铺层
总结
复合材料补片的使用可以大幅度降低金属薄板裂纹尖端的应力强 度因子,延长裂纹的扩展寿命。复合材料补片和胶膜参数的选取,必须 从降低裂纹尖端应力强度因子和修补系统失效等方面综合考虑。
展望
1 研制出适用于多种不同环境下的高性能胶粘剂和复合
材料补片材料。
2 研制和改进核心技术设备，研究出易于外场使用的、性
船舶修复特点
1
海洋环境复杂多变，船舶损伤率高，且损坏突然, 要求修理要可靠迅速,操作简单,能现场实施 。
2 3
现场修理环境无法达到规定的修理标准。所 以对条件和人员要求不能太高，此外修复的材料 和工具还要利于存贮、携带、可靠、安全。
船舶可能还携带有大量油料和易燃易爆物品,所以 还要求抢修时最好不使用明火,修复材料能够防油污,抗 腐蚀,有较高的疲劳强度。
试验结果分析
实验结果表明: 1.裂纹板经复合材料补片胶接修补后,其静强度和疲劳寿命均有显著的提高, 2.与单面胶接修补板相比,双面胶接修补板的静强度和疲劳寿命增加幅度较大; 3.增加补片的宽度,可以提高结构的静强度和疲劳寿命 4.增加补片的长度,反而会降低结构的静强度和疲劳寿命。出现这种情况的主要原因有以下两个方面: (1)根据接头的胶接理论,只有在接头端头的很小一部分胶层内发生剪切变形并传递剪切载荷,并且很快以指数 幂衰减到零,而在胶接接头的大部分区域内,胶层并不传递载荷。Ratwain还发现,胶接修补结构中胶层传递载荷的长 度很有限,大约为裂纹长度的一半。超过此值后,补片长度的进一步增加,并不会在裂纹板和补片之间传递更多的载荷。 (2)裂纹板经复合材料补片胶接修补后,修补区域的局部刚度增大,使周围未修补金属板内的载荷向修补区域靠 拢,增加了修补区域内的载荷传递量。补片的长度越大,修补区域的局部刚度也越大,对结构修补效果的不利影响也越 大。
复合材料修补特点
01
设计性好
05
结构增重小 优点
02
无明火 安全 成形性好
04 防火
隔热 防腐
时间短 效率高
03
研究内容
解析法
试验法
有限元
解析 法
应力强度因子理论计算
理论假设 1.由弹性包容理论计算胶接修补区内金 属板上各点的应力 2.对有限裂纹长度C，裂纹尖端应力强 度因子K可用下式近似计算
有限 元
试验流程
理论基础 1.J积分
J (dy Ti U ds) xi
结果分析 解析方法分析在复合材料 补片的胶接修复分析中存 在一定的困难，相较而言 有限元分析方法适用范围 较广，对结构形状和补片 的铺层没有限制，且随技 术发展，计算精度也达到 较高水平，在飞机结构的 实际胶接修复分析中被普 遍采用
K＜KIC
补片参数的影响
1长度
2宽度
超过裂纹长度一半后,补片长度的进一步增加,并不会在裂纹板和补片之 间传递更多的载荷，反而修补区域的局部刚度变大,对结构修补效果产生不利 影响。增加补片的长度,反而会降低结构的静强度和疲劳寿命。
增加补片的宽度,可以提高结构的静强度和疲劳寿命
3厚度
补片厚度的增加可以较大幅度降低裂纹尖端的应力强度因子,从而增加裂 纹的扩展寿命，但随着补片厚度的增加, 胶膜的最大剪切应力却在上升，而过 大的剪切应力可能会导致胶膜的失效。 复合材料补片对裂纹板的修复,主要是通过补片的“架桥”作用来实现的， 修复时第一层宜采用具有较高性能的单向预浸料片材,并且纤维铺层方向垂直 裂纹方向。