复合材料修理设计

2、修理分析复杂原因：
➢ 材料不均匀、结构厚度方向不对称等许多不确定因素 ➢ 因修理中要切除损伤区，可能对原结构造成进一步损伤 ➢ 修理材料、工艺、人员操作水平的分散性
3、修理分析步骤
➢ 根据损伤情况和初步分析结果，确定损伤区刚度强度 降低情况，确定总体方案 ➢ 对拟采取的修理措施进行修理结果预测，做修理可行 性评估 ➢ 确定最佳且可行的修理方法和相应修理参数 ➢ 建立分析模型，计算修理区刚度强度等参数变化情况 ➢ 根据分析计算结果，指导修理实施和修理后检测
挖补修理主要参数：
1）斜接式挖补角度 最佳契形角随粘结剂抗剪强度增大而增大
建议挖补角度为6O（实际应用的粘结剂）
胶接模型分析结论：挖补斜度1:15～1:18
2）阶梯式挖补每层阶差
建议：每层阶差不小于13mm 去除层数不超过6层（单面挖补） 去除层数超过6层（若条件允许，双面挖补） 施工相对困难，工艺要求较高（每个铺层要有阶差）
修理验证
修理试验验证目的： ➢ 检验修理方法的适用性 ➢ 了解修理工艺的分散性和可靠性 ➢ 检验修理设计的合理性 ➢ 验证强度分析方法的正确性
美国FAA对复合材料修理规定： 维修手册中提供的修理程序，应通过分析或试验进行 验证，证明该修理方法可恢复结构达到适航标准
修理需满足的主要设计要求：
本章小结
2、补片和衬板铺层参数
铺层数和铺层组合
3）补片和衬板的几何尺寸 直径和打磨斜度
贴补法参数设计
➢ 补片铺层：与原结构面板一致 ➢ 补片几何尺寸：搭接宽度/补片直径
L≈0.85d 或 D≈d+2L=2.7d
d为损伤区直径，L为搭接宽度， D为补片直径 ➢ 补片周边45O倒角
（增加补片剥离强度、改善气动性能）
加衬挖补法参数设计
➢ 内侧衬板的设计同贴补法 ➢ 外侧补片的设计同挖补法
修理分析与计算
1、目的：
➢ 修理前给出损伤区刚度强度降低情况基本评估 ➢ 对拟采取的修理措施给出修理后的刚度强度寿命等 恢复评估 ➢ 减小试验件的投入成本
缩短修理周期 提高修理设计水平 ➢ 对无法试验验证的关键部位，修理分析尤其重要
3）施工通路 机械修理适用于两面可达，采用相同的内外补强片 若只能单面施工，充分考虑工艺要求
蜂窝夹层结构修理设计
损伤：可忽视、可修、不可修（按严重程度） 可修损伤：面板、复合、穿透
1、修理方法：
➢ 刮涂打磨法 ➢ 贴补法 ➢ 挖补法 ➢ 加衬挖补法
修理方法选择建议
贴补法：Baidu Nhomakorabea复到原静强度和刚度的100%，增重略多 挖补和加衬挖补法：80～90%
挖补修理：
➢ 剪应力分布均匀，寿命长，可得到光滑齐平外表面 ➢ 除去较多为损伤材料，工艺要求高，施工环境条件要求苛刻 ➢ 16层以上厚板
机械修理：
➢ 孔处应力集中严重，寿命短 ➢ 简便快捷，工艺性能稳定，不受施工环境影响
1、贴补修理设计：恢复到原有强度的70～80%
➢ 端部契形角度设计：尖梢比15:1（减小剥离应力和剪应力集中） ➢ 当作双面搭接的一半来分析：存在偏心载荷（类似于单面搭接），
4、修理分析初步结论
1）修理后结构不对称性对结构刚度影响大（可能提前破坏或影响结构传 力） 2）双面贴补：对蜂窝结构，强度恢复100%（母板损伤小且补片加强母板）
对层压板结构，强度恢复70%～80% 3）挖补：因无工艺通路而无法双面贴补时采用，可恢复80% 4）修理不改变复合材料结构受载时呈脆性破坏的特点（载荷同应变无非 线性过渡），具有突然性 5）修理工艺、材料、工具、环境、操作人员等很多因素会对修理效果有 影响 6）温湿环境对修理后结构有影响（结构因修理造成的非对称引起附加变 形和多种修理材料具有不同热膨胀率等）
第十一章 复合材料修理设计
❖ 层压板修理设计 ❖ 蜂窝夹层结构修理设计 ❖ 修理分析与计算 ❖ 修理验证
修理设计：合理与否直接影响修理成败
包括：修理选材、修理方法选择、修理参数确定、整个修理方案制定
层压板修理设计
连接设计一般要求：剪应力分布越均匀越好
贴补修理：
➢ 工艺相对简单，剪应力分布不太均匀，寿命相对短 ➢ 16层以下薄板
轴向压载时会引起面外弯曲，但有其它结构支持
贴补修理参数：补片大小、厚度、铺层、胶层设计
1）补片大小 临界搭接长度：对应最大可用强度，更长的搭接长度不会增加失效应力， 通常20～30mm（若损伤孔径20mm，补片直径60～80mm)
搭接长度短（所有胶粘剂处于较高剪应力状态） 搭接长度长（大部分胶接区承受很小载荷，载荷主要通过搭接端部的 两个小区域传递） 理想条件下：搭接长度为12mm
4）补片铺层设计
通常纤维的0o、45o、90o铺层比例为30:55:15左右
2、挖补修理设计：
斜接式、阶梯式（剪应力分布较均匀，无偏心载荷，剥离应力 小）
➢ 比贴补法困难，修理周期长，需去除大量未损伤材料，要求高 ➢ 剪应力和剥离应力更低更均匀，修理效率更高
注意：
➢ 补片材料和铺层顺序同母板一致 ➢ 用预浸料补片和母板共固化
挖补法参数设计
➢ 补片铺层：与原结构面板一致
➢ 补片几何尺寸：打磨斜度（太小达不到强度要求；太 大对原结构破坏大，降低强度刚度）/搭接宽度/补片直径
波音：（各层搭接宽度12.5mm）
其它：a) 斜度1:30
b) L≈20t 或 D≈d+2L=d+40t
t为蜂窝夹层结构单侧面板厚度，d为损伤区直径，L为搭 接宽度， D为补片直径
3、机械修理设计：
通常作为应急修理，300飞行小时内更换为复合材料补片 的永久性修理 不用于气动要求高的外表面
注意问题：
1）应力集中 ➢ 加金属衬套（降低应力集中，提高压缩强度）（比未修
理件提高70%，比不加衬套提高30%）
➢ 胶接和机械连接混合方式（降低应力集中）
2）耐腐蚀 金属材料和复合材料接触会电位腐蚀 采用的金属零件（紧固件、衬套等）材料：不锈钢 或钛合金
非气动严格要求表面 面板损伤和复合损伤：单面贴补法（优先） 穿透损伤且可双面施工条件下：双面贴补法（优先）
气动要求表面 面板损伤和复合损伤：挖补法（优先） 穿透损伤且无法双面施工条件下：加衬挖补法（优先）
2、修理参数设计
1）补片和衬板形状 与挖掉的损伤区几何相似 确定挖掉损伤区形状（取相对规则图形，通常为圆形）
❖ 修理设计
包括：修理选材、修理方法选择、修理参数确定、整个修理方案制定
❖ 层压板修理设计 ❖ 蜂窝夹层结构修理设计 ❖ 修理分析与计算 ❖ 修理验证
2）补片厚度
设计要求：补片面内刚度（弹性模量 X 厚度）= 母板面内刚度 当补片同母板弹性模量相同时，最佳补片厚度 = 母板厚度一半（双面搭
接一半）
3）胶层设计
➢ 胶粘剂强度好，则胶接接头强度好 ➢ 增大接头边缘的胶层厚度（降低该处剪应变，从而提高接头强度） ➢ 胶接接头补片边缘内契角形状（降低胶层中应力集中）