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蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究

郭轩 关志东 邱诚 黎增山

郭轩, 关志东, 邱诚, 等 . 蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(7): 1528-1536. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0557
引用本文: 郭轩, 关志东, 邱诚, 等 . 蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(7): 1528-1536. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0557
GUO Xuan, GUAN Zhidong, QIU Cheng, et al. Flexural performance of scarf repaired honeycomb sandwich structures[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(7): 1528-1536. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0557(in Chinese)
Citation: GUO Xuan, GUAN Zhidong, QIU Cheng, et al. Flexural performance of scarf repaired honeycomb sandwich structures[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(7): 1528-1536. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0557(in Chinese)

蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0557
详细信息
    作者简介:

    郭轩  男, 硕士研究生。主要研究方向:复合材料结构设计

    关志东  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:飞机结构损伤容限设计、复合材料结构设计、飞机结构修理设计

    通讯作者:

    关志东.E-mail:d5062010@163.com

  • 中图分类号: V224.6

Flexural performance of scarf repaired honeycomb sandwich structures

More Information
  • 摘要:

    从试验及有限元2个方面对复合材料蜂窝夹芯挖补修理结构的弯曲性能进行研究。通过3点弯曲试验对无损及修理件弯曲性能进行测试,试验结果表明,蜂窝夹芯结构破坏模式为典型的蜂窝剪切破坏,修理件相比于无损件弯曲强度恢复率为110%,修理后结构弯曲刚度也略高于无损件;基于试验结果建立三维有限元模型对蜂窝夹芯修理结构的弯曲性能进行研究,通过用户自定义子程序VUSDFLD编写Hashin失效准则、基于应力的Besant失效准则,实现复合材料面板及蜂窝芯子2种材料的损伤起始及演化。数值模型得到的破坏模式、破坏载荷及弯曲刚度均与试验结果吻合得较好;改变有限元模型参数,研究损伤直径及补片厚度对修理后弯曲性能影响,结果表明,随着损伤直径从30~70 mm逐渐增加,修理件强度先增加后减小,并在损伤直径为50 mm时取得最大值,此外,补片厚度为1~2.5 mm时弯曲强度恢复率高于100%;本文为复合材料蜂窝夹芯结构的修理设计提供了可靠的数值模拟方法。

     

  • 图 1  无损件示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of undamaged specimen

    图 2  修理工艺示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of repair craft

    图 3  修理件示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of repaired specimen

    图 4  蜂窝夹芯板3点弯曲试验

    Figure 4.  Three point bending test for honeycomb sandwich panel

    图 5  蜂窝夹芯板典型破坏模式

    Figure 5.  Typical failure modes of honeycomb sandwich panel

    图 6  复合材料层板C扫描图像

    Figure 6.  C-scan images of composite laminates

    图 7  试件载荷-位移曲线

    Figure 7.  Load-displacement curves of specimens

    图 8  试件各测点载荷-应变曲线

    Figure 8.  Load-strain curves of specimen for each measuring point

    图 9  修理件有限元模型剖面图

    Figure 9.  Cross-section view of finite element model for repaired specimen

    图 10  胶层损伤双线性本构关系

    Figure 10.  Bilinear constitutive relationship of damage for cohesive element

    图 11  无损件Fcore分布云图

    Figure 11.  Fcore distribution contour of undamaged specimen

    图 12  无损件破坏位置

    Figure 12.  Failure position of undamaged specimen

    图 13  损伤及修理件Fcore分布云图

    Figure 13.  Fcore distribution contour of damaged and repaired specimens

    图 14  损伤件初始破坏位置

    Figure 14.  Initial failure position of damaged specimen

    图 15  修理件破坏位置

    Figure 15.  Failure position of repaired specimen

    图 16  有限元模型载荷-位移曲线

    Figure 16.  Load-displacement curves of FEM models

    图 17  有限元与试验破坏载荷对比

    Figure 17.  Comparison of failure load between FEM and test

    图 18  损伤件及修理件破坏载荷随损伤直径变化规律

    Figure 18.  Failure load versus damage diameter of damaged and repaired specimens

    图 19  30 mm损伤修理件破坏模式

    Figure 19.  Failure modes of repaired specimen with 30 mm damage

    图 20  65 mm损伤修理件补片局部脱黏

    Figure 20.  Local patch debonding of repaired specimen with 65 mm damage

    图 21  破坏载荷随补片厚度变化规律

    Figure 21.  Failure load versus thickness of patch

    图 22  0.5 mm补片修理件破坏模式

    Figure 22.  Failure modes of repaired panel with 0.5 mm patch

    图 23  厚补片修理件补片脱黏

    Figure 23.  Patch debonding of repaired panel with thick patch

    表  1  蜂窝夹芯结构弯曲试验结果

    Table  1.   Bending test results of honeycomb sandwich specimens

    试件类型 破坏载荷/kN 离散系数/% 恢复率/%
    无损件 4.489 1.2
    修理件 4.937 2.3 110
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    表  2  复合材料单层材料性能参数

    Table  2.   Property parameters of composite unidirectional tape

    参数 E11/GPa E22/GPa G12/GPa G23/GPa ν12 XT/MPa XC/MPa YT/MPa YC/MPa S/MPa
    数值 146 10.4 6.45 3.37 0.27 2 391 1 410 67.6 219 94.8
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    表  3  复合材料二维Hashin失效准则

    Table  3.   2D Hashin failure criterion of composite material

    失效模式 失效判据
    纤维拉伸失效(σ11>0)
    纤维压缩失效(σ11 < 0)
    基体拉伸失效(σ22>0)
    基体压缩失效(σ22 < 0)
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    表  4  蜂窝芯子NRH-2-48材料性能参数

    Table  4.   Property parameters of honeycomb core NRH-2-48 material

    参数 ETT/MPa GLT/MPa GWT/MPa STT/MPa SLT/MPa SWT/MPa
    数值 107 37.8 28.8 1.13 1.16 0.67
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    表  5  胶膜材料J-299性能参数

    Table  5.   Property parameters of adhesive film material J-299

    参数 Knn= Ktt = Kss/GPa tn0/MPa tt0= ts0/MPa Gn0/GPa Gs0= Gt0/GPa
    数值 1 000 000 24 30 0.3 0.9
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    表  6  有限元与试验结果对比

    Table  6.   Result comparison between FEM and test

    对比项 破坏载荷/kN 应变/με
    测点1 测点2 测点3 测点4 测点5
    有限元 4.446 3 139 3 106 3 092 3 072 703
    试验 4.522 3 342 3 329 3 362 3 277 718
    误差/% 1.7 6.1 6.7 8.7 6.6 2.1
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    表  7  不同厚度补片铺层设计

    Table  7.   Layer design of patch with varied thickness

    补片厚度/mm 铺层顺序
    0.5 [45/90/0/-45]
    1 [45/90/-45/0]s
    1.5 [45/90/-45/0/45/0]s
    2 [45/90/-45/0/45/-45/90/0]s
    2.5 [45/90/-45/0/45/-45/90/0/45/0]s
    3 [45/90/-45/0/45/-45/90/0/45/90/-45/0]s
    3.5 [45/90/-45/0/45/-45/90/0/45/90/-45/0/45/90]s
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-01
  • 录用日期:  2017-12-22
  • 刊出日期:  2018-07-20

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