1.中国民航大学 航空工程学院 天津 300300
摘要：带损伤孔的复合材料层合板拉伸强度会降低，需要对其进行修理以恢复力学性能、满足使用要求。应力集中部位主要在修理区域最外侧的钉孔旁，最终破坏模式为母板沿修理区域最外侧一排钉孔断裂。在以后的结构修理方案设计中应尽量减缓这些区域的应力集中。
关键词：复合材料；胶铆混合修理；拉伸强度；有限元法；应力分布
1.实验
实验采用碳纤维层合板进行拉伸实验，在层合板如图1的位置分别有8个应变片
图1 胶铆混合修理应变 图2 胶接修理应变
使用电阻应变片测量基准组单面修理试验件在加载过程中的应变分布情况，考察试验件容易产生应力集中的部位。应变-载荷曲线如图 2 所原来沿加载中轴线的传载路线，相应地引起损伤孔上下两侧的旁路载荷增大，故 6 号片位置成为结构应力集中的主要部位，且该处损伤发生较早，在载荷未达到峰值时该处复合材料就已严重破坏导致应变片失效。2）位于母板钉孔旁的 1 号片应变值也很大，而 2 号片相对较小，说明由于钉的旁路载荷作用以及钉对复合材料的挤压，钉孔旁垂直于加载方向上最小截面上的应力集中更为严重。3）对比位于母板钉孔旁同一侧的 2、3、4 号片应变值，2、4 号片应变值几乎一致，而 3 号片应变值较小，说明在母板修理区域，由于钉载沿加载方向从外至内递减，外排钉孔处的应力集中比内排钉孔处更为明显。4）对比分别位于母板与补片钉孔旁对应位置的 2 /02、4 /04 号片应变值，可见在加载方向上，母板钉孔旁主要受拉伸载荷，而补片钉孔旁主要承受钉传递的挤压载荷；同一载荷下母板钉孔旁的应变值是补片钉孔旁的 2 倍多，说明补片上的载荷主要由母板通过钉传递，因此在同一载荷下母板的变形比补片大得多，从而母板的材料破坏也发生得更早。综上所述，母板损伤孔及外排钉孔旁垂直于加载方向的位置都是容易产生应力集中的危险区域，在结构修理方案设计中应尽量减缓这些区域的应力集中。
3破坏模式
图4 胶铆修理破坏
如图3所示，对于胶接修理板，其失效模式为：胶层脱落，母板断裂，补片没有明显损伤。胶层在剪切应力作用下首先发生脱落，胶层破坏失效后，修理结构仅由母板承载；母板的失效破坏始于损伤孔处，向修理板上下边缘扩展，最后从试件中部断裂，胶接结构的失效模式与文献[3]的失效模式A相同。
从图4可知，对于胶铆混合修理板，胶层首先发生局部脱胶；随着载荷的增大，修理结构最外侧铆钉连接处的母板和补片共同承担主要载荷，最外侧铆钉孔处的母板逐渐发生损伤失效，沿垂直于加载的方向，向修理件上下边缘扩展，最后外侧钉孔的破坏区域连成一片，导致胶铆混合修理试验件从该排钉孔处断裂；胶铆混合修理结构的失效模式与文献[4]中胶螺混合修理结构的失效模式相似。
4.结论
应力集中部位主要在修理区域最外侧的钉孔旁，最终破坏模式为母板沿修理区域最外侧一排钉孔断裂。在以后的结构修理方案设计中应尽量减缓这些区域的应力集中。
参考文献：
[1] 黄志超，冯佳，张永超.复合板料摆碾铆接、胶接和混合连接性能研究[J]. 玻璃钢/复合材料，2017（4）：54~59.
HUANG ZhiChao，FENG Jia，ZHANG YongChao. Connection property of joining composite sheets with rolling riveting，bonding and hybrid joints[J]. Fiber Reinforced Plastics/ Composites，2017（4）：54~59（In Chinese）.
[2] 陈雅薇. 复合材料钉载连接与制孔过程的损伤研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2015：1-2.
CHEN YaWei.Study on damages in bolted joint and drilling process of composite[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2015：1-2（In Chinese）.
[3] 陈绍杰. 复合材料结构修理指南[M]. 北京：航空工业出版社，2001：66-74.
CHEN ShaoJie.Repair guide for composite structures [M].Beijing：Aviation Industry Press，2001：66-74（In Chinese）.
[4] Duong C N，Wang C H.Composite repair-theory and design[M].Amsterdam：Elsevier，2007：4-5.
[5] 彭新未. 复合材料层合板胶接修理强度研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2016：5-5.
PENG XinWei. Research on adhesive repair strength of composite laminated plates [D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2016：5-5.（In Chinese）.
论文作者:刘礼平1,原志翔1
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第14期
论文发表时间:2019/12/17
标签：母板论文; 载荷论文; 应力论文; 应变论文; 复合材料论文; 损伤论文; 区域论文; 《建筑细部》2019年第14期论文;