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1、维普资讯 http:/2007 拄1O月机械科学与技术October2Oo7第26卷第 1O期MechanicalScience and Technology forAerospace EngineeringVo126No10复合材料层合板胶接修理的粘弹性有限元分析程起有程起有 一，童小燕 ，姚磊江 ，吕胜利( 西北工业大学航空学院，西安 710072；西北工业大学无人机特种技术重点实验室，西安 710072)摘 要：基于修补结构的本构关系，对一受损层合板的双面胶接修理问题进行分析。采用粘弹性和弹性有限元两种分析方法，并用相应的试验来验证两种方法所得的计算结果。通过分析得到了胶接参数对修补后的
2、结构强度及胶层应力的影响，同时对比计算结果和试验结果，可以发现粘弹性分析比弹性分析更为准确。关 键 词：复合材料；胶接修理；粘弹性；有限元中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003-8728(2007)1013504)4Viscoelastic FE Analysisofthe Bonding Repair ofComposite LaminatesChengQiyou。一，TongXiaoyanz，YaoLeijiang2，LtiShengliz(SchoolofAeronautics。Nonhwestem Polytechnical University，Xian710072；
3、NationalLab啷toryofUAV Special Technology，Nohwestem Polytechnical University，Xian710072)Abstract：We irstfgive the linearviscoelastic constitutive equation ofadhesiveilmf according to its characteristicsThen weanalyze het strength ofhet platewith a hole repaired with composite patcheswhich hasdiferent
4、diameters，hicknessest，and stressofhet adhesive ilmfComparing het computationalresultsofviscoelasticity and elasticitywith het experimentalresults，we indf hattthe esultrofviscoelastic analysis is more accurate hant hattof elasticanalysisTheesultsr lsoashow hattincreasinghetdiameterand hicknesstofhetp
5、atchescanimproveheirtstructuralstrength and hatthet repairefectis bestwhen heirtdiameteris2 to3 timeshet whole diam eterand heirtthicknessis50 一60 ofhet plate S hicknesstKey words：composite materials；bonding repair；viscolasticity；initef elementmethods目前国内外对胶接修理的研究不少，但对胶层1 本构关系的模拟多采用弹性或几何非线性，粘弹性分析较 对
6、于复合材料层合板，将层合板的各个单层看少u J。因为胶粘剂多为高分子材料 ，在常温条件 成正交各向异性材料，3个材料主轴方向分别记为 1 下就会表现出明显的时间相关性质，这对其应力分 向，2向和3向，1向为单层面内平行纤维方向；2向布有着显著的影响 J，所以在对胶接修理进行分析 为单层面内垂直纤维方向；3向为垂直层合板中面中，采用弹性或几何非线性处理胶层不是很合适。 方向。根据虎克定律可得单层层合板正轴向的本构考虑胶层的粘弹性性质，给出胶层的粘弹性本构关 关系为系；采用“三板模型” 6对不同的补片半径、补片厚【占ll，占22，占33，占23，占l3，612】T =度对胶接修理效果及胶层应力的影
7、响进行了深入的 s【 l，22， 3，23， l3， l2】 (1) 分析，并将计算所得结果和试验结果进行比较，得到 式中：占，(i,j=1，2，3)为应变；tri，(i,j=1，2，3)为一些有用的结果。应力；S为柔度矩阵。收稿日期：20060928基金项目：航空科学基金项目(03B53079)资助作者简介：程起有(1980一)男(汉)，江西，博士研究生，qYchengmailchinacorn维普资讯 http:/第 1O期程起有等：复合材料层合板胶接修理的粘弹性有限元分析l2131000线弹性本构关系：t= +(1一 )胜 ，并根E12132000据弹性与粘弹性的对应原理：詈()、EE1
8、E213l，23l( )，得胶层的三维粘弹性本构关系000S= ElE： =J：+(D一J)，+H： (14)000100式中：H：为应力 作用到 E和 S上所产生的遗传应变。b230OO0102 有限元计算及试验验证b 130OO00121 修补结构介绍b l2(2)式中：E(i=1，2，3)表示沿材料主轴方向的弹性模量；Gf( =1，2，3)表示 平面的剪切模量； f(，=1，2，3)为泊松比。对于胶层，将其看成各向同性材料，其粘弹性性质可由简单拉伸和剪切两个独立的蠕变柔度函数确定，单轴应力状态下拉伸和剪切时的粘弹性本构关系及材料参数分别为 】拉伸时，胶层的粘弹性本构关系 =D+E兰F1(
9、 ) (3) 剪切时，胶层的粘弹性本构关系该结构由母板、补片和胶层 3部分组成，其中母板中央有一孔洞型穿透性损伤(孔径 d=30mm)，通过对称地胶粘两块圆形补片(补片的直径为 D，厚度为 )来对其进行修补，结构承受左右加载的载荷P。修补结构及尺寸示意图如图 1。该结构用来分析在单轴应力状态下，修理参数对结构极限强度的恢复情况和胶层应力的影响。占=， +S誊 ( )(4)材料参数的表达式Dl=D0+D，(1一F：)(5)E=D，厂： 一exp(一A， )g：一 (6)，= + (1一 )(7)图 1 修补结构示意图S= ：一exp(一 )p：一(8)22 有限元分析，A(9)使用有限元软件 A
10、NSYS分别对修补结构进行，q：=exp(一A， )g：一 +厂：( 一)(10)了三维粘弹性和三维弹性计算。进行粘弹性分析时 = 一(11)采用三维 8节点各向异性层合板元(Solid46)来模拟母板和补片，采用三维 20节点粘弹性实体单元(12) (Viseo89)来模拟胶层；而进行弹性分析时采用三P：=exp(一r, )p：一 +JB：( 一)(13)维 8节点各向异性层合板元(Solid46)来模拟母板式(3)一式(13)中： 和 分别为时间 t时的应变和补片，采用三维 8节点结构实体单元(SolidBriek和应力；F。( )和( )均为应力算子；D 为瞬时45)来模拟胶层。柔度；
11、为遗传应变；，为瞬时剪切蠕变柔度函数；考虑到结构为对称结构，取结构的 14进行分S为遗传应变；D。为弹性柔度；D，和 A，均为与材料析。为了保证计算的精确性，在结构的应力集中部性质有关的常数； 为初始弹性剪切柔度；g：为遗传位对有限元网格进行了细化，整个修补结构总共划积分； 为时间t时的折减时间 ：为遗传积分。分了12640个单元。图 2为修补结构的有限元网格图。文献7中，再由式(3)和式(4)以及胶层三维维普资讯 http:/机械科学与技术第 26卷图2 修补结构有限元模型23 试验试验中所采用的试件同计算所使用的模型及参数是一致的。母板由双向碳纤维预浸布 ECS002010铺设而成(铺层方
12、式为(09045900)2 ，通过热压机按材料的固化参数在 180 的高温下固化成型。性能参数如下：El=135GPa，E2=E3=88 GPa，Gl2= Gl3=447 GPa，G23= 331 GPa， l2=tIl3=033， =Q 35， =1548 MPa， =1226MPa，=555 MPa， =218 MPa，S =899 MPa。补片材料采用 DHS21732530，单层厚度为0175mm，性能参数如下：E1=111GPa，E2=E3 = 68GPa，Gl2=Gl3=34 GPa，G23=253GPa，tIl2 =tIB=Q34， =Q 35， =1059 MPa=141MPa
13、，S =88MPa。胶层材料采用 J-159，它的力学性能参数如下：厚度h=012mm，E=10GPa，叼=2500MPas，10 =03，G = 3846 MPa。在 MTS8101-13试验机上进行静力拉伸破坏试验，每种修理参数的试验均使用多个试件进行试验，记录每个试件的破坏载荷，然后取平均值为该修理参数时的试验值。24 计算结果和实验结果对比(1)不同的补片直径时(补片的铺排方式为：04590x2)从图3可以看出：粘弹性计算结果相对于弹性计算结果更接近试验结果，这说明粘弹性计算更准确。修补结构的极限强度的恢复(修补后的极限强度完好结构的极限强度)随着补片相对直径(补片直径受损孔直径)的增
14、大而增加。图4表明：粘弹性计算所得的应力极值要比弹性计算所得的计算结果要小；且胶层相对极限剪应力 ( 胶层最大剪应力 ) 和相对极限剥离应力( 胶层最大剥离应力 )也随补片直径的增加而减小。但是补片的相对直径大到一定的程度后，对于结构的强度及胶层的应力贡献都不大，反而会增加结构的重量，带来一些负面作用。所以补片直径的选取有一个相对合理的值，一般取受损孔孔径的23倍。70一6ON 50瞪4O补片相对直径图3 补片直径对极限强度恢复的影响=：= = ：=：R 2一弹性计算剪应力一粘弹性计算剪应力莲一 弹性计算剥离应力粘弹性计算剥离应力嫠鼍=： =补片相对直径图4 补片直径对胶层应力的影响(2)不同
15、补片厚度时(补片的直径为80mm)补片的铺排方式分别为：452、0452、045902、0245902、02459022、02459020290245902。从图5可以看出：粘弹性有限元分析的计算准确性要好一些，随着补片相对厚度(补片厚度母板厚度)的增加修补结构的极限强度也能有效地提高。图6表明粘弹性计算所得的胶层应力极值比弹性计算所得的计算结果要小；补片厚度的增加会使得胶层应力极值增加。补片的厚度也不能太大，一是厚度大到一定的程度对于结构的强度恢复贡献不大，同时也会增加结构重量；-是厚度的增加会导致胶层剥离应力的增加。一般取补片的厚度为母板厚度的50一60。S璧辎补片相对厚度 ()图5 补片
16、厚度对极限强度恢复的影响维普资讯 http:/第 1O期程起有等：复合材料层合板胶接修理的粘弹性有限元分析2一粘弹性计算剪应力衡- 弹性计算剥离应力莲- 粘弹性计算剥离应力餐I- F：；=【 =：j =补片相对厚度 ()图6 补片厚度对极限强度恢复的影响3 结论(1)给出了单层层合板的本构关系；同时给出了胶层的线性粘弹性本构方程，该方程能很好地描述胶层线性粘弹性性质。(2)增加补片的相对直径和厚度能有效地增加修补结构的极限强度，但是不能太大，一般地，补片的直径取为孔径的 23倍，厚度取为母板厚度的5O 一6O 。(3)增加补片的直径能减小胶层的应力极值，而增加补片的厚度会导致胶层应力极值的增加
17、，粘弹性计算所得的胶层应力极值要比弹性计算结果低。(4)通过对粘弹性和弹性有限元分析所得结果与试验结果的对比，可以得出：弹性计算所得的结果较为保守，采用粘弹性进行分析时能得到比弹性计算更为准确的计算结果。参考文献】1 LouYC，SchaperyRAViscoelasticcharacterizationofanonlinerfiber-reinforcedplasticJJCompMater，1971，5：208 2342 HabibM，AalvazmdehS，VercheryGEdgeefectanalysisindehesivdy bonded tubes using axisymmet
18、ric interface initef elementJCAD inComposMaterTechnoi，1988，8：415-4283 徐建新，复合材料补片胶接修理技术研究进展J航空学报，1999，20(4)：3813834 周定沛胶层的粘弹性与内应力松弛J粘接，1997，18(2)：1 45 NabulusS，MailSModeling ofcrackedmetalicstructure withondedbcompositepathusingthreelayertechniqueJCompes-iteStructure。1996，35：2953086 NabulusS，MailSThe
19、rmalefectsondhesivdyeb0ndedcompco iteearrofcracked aluminum panelsJTheoreticalandAp-pliedFractureMechanics，1997。26(1)7 郭兆璞，陈浩然，孙茁轴对称壳体胶连接头粘弹性应力分析J大连理工大学学报，1998，38(2)：135140(上接第 1349页)5 结束语基于装配特征的自动批装配技术的研究与实现，大大提高了飞机装配和复合材料构件工装中螺栓、螺钉、螺母、垫圈、销(套)等标准件、典型组合件等的装配设计的效率，减轻了设计人员的劳动，并可有效减少装配过程中容易出现的错误。图5(a)、
20、图5(b)分别显示了利用本文开发的批装配系统对某法兰进行螺栓装配的一个中间过程和最终的装配结果。该研究成果已经得到了国内某航空企业的应用，并且获得了较为满意的应用效果，图 6给出了两个利用“批装配”技术完成的飞机某复合材料构件工装装配的设计实例。进一步的研究工作包括快速装配工具集的开发、零件库、组件库的网络化管理、批装配其它的实现方式等，从而使装配设计更加快速、智能化。【参考文献】1 ErensF，VerhulstKArchitecturesforproductfamiliesJCompute inIndustry，1997，33：1651782 SchmidtGCase-based reas
21、oningorfproductionschedulingJIntJProduction Economics，1998，56-57：5375463 冯毅雄，谭建荣，伊国栋，刘振宇基于符号的装配建模方法研究J计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(6)：6736794 TanakaF， o2Constraintreductionbasedonaliealgebrafor kinematicnaly8i8aofassemblyAProceedgsofthe4thIEEE InternationalSymposium on Assemblyna dTask Plan -ningc，Soft Res
22、earch Park，Fukuoka，Japan May 28-29，20015 LeeH R，GemmilD DImproved methodsofassembly$uenco determinationorfautomaticssemblyasystemsJEuropeanJournalofOperationalResearch，2001，131：6116216 LiaoXY，WangGGEvolutionarypathplanningforrobotasis-ted parthandling in sheetmetalbendingJRobotics ndaComputer-ntegra
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