复合材料蜂窝夹层结构修理后压缩性能分析

摘要

复合材料蜂窝夹层结构主要是由两层刚度/强度较高的上、下面板和一层厚而轻的低密度夹芯层组成，将上、下蒙皮与芯子通过粘接剂胶接，采用直接注塑或模压的加工工艺获得整体结构。蜂窝夹层结构有质量轻、刚度大、隔热性能较好的优点，大量应用于飞机结构。但飞机在服役过程中不可避免地因意外撞击、鸟撞、冰雹等冲击，造成复合材料夹层结构的损伤。从而大大降低结构的承载能力，因此复合材料蜂窝夹层结构的修理及修理后剩余强度受到研究人员越来越多的关注。
　　本文以商业有限元软件ABAQUS为分析平台，建立了三维有限元模型，编写了相应的材料本构用户子程序（UMAT），研究了蜂窝夹层板修理后的压缩稳定性及压缩强度性能。
　　首先，结合连续介质损伤力学(CDM)的复合材料层板理论、夹层结构等效理论及粘聚区（CZM）模型，建立了蜂窝夹层板三维渐进损伤分析模型，并通过相关算例对所建立的三维有限元模型进行有效性验证，实现对胶接修理蜂窝夹层板的损伤分析的准确模拟。
　　其次，基于建立的三维损伤模型，从稳定性及压缩强度方面分析了双面挖补修理后的蜂窝夹层板恢复强度和损伤演化过程。同时，进一步分析了蜂窝芯子高度对夹层板临界屈曲载荷及破坏形式的影响以及挖补比例、额外铺层、补片铺层和开孔直径等挖补参数对修理后恢复强度及应力分布的影响规律，最后与单面加衬挖补修理进行了对比分析。
　　再次，对上述修理方法进行拓展，对穿透损伤蜂窝夹层板的双面贴补修理的压缩稳定性和压缩强度进行了研究。讨论了补片厚度和搭接长度等补片尺寸及补片铺层和开孔直径等设计参数对修理后结构恢复强度及应力分布变化的影响规律，并与单面加衬贴补修理方式进行了对比分析。
　　最后，对所有研究内容进行了总结，同时针对本文所存在的不足提出未来工作的展望。为今后进一步对蜂窝夹层结构的胶接修理设计和分析提供参考。

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注 释 表

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 复合材料结构修理方法

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究工作

第二章 复合材料蜂窝夹层结构胶接修理渐进损伤分析方法

2.1 引言

2.2 复合材料层合板渐进损伤分析方法

2.3蜂窝夹层板失效分析方法

2.4 胶层本构模型及失效判据

2.5 本章小结

第三章 UMAT子程序与有限元验证

3.1 引言

3.2 ABAQUS及其子程序

3.3 蜂窝夹层结构层间剪切性能算例验证

3.4 蜂窝夹层结构开孔侧压算例验证

3.5 蜂窝夹层结构单面挖补修理验证算例

3.6 本章小结

第四章 蜂窝夹层结构挖补修理稳定性及压缩性能分析

4.1 引言

4.2 有限元模型建立

4.3 挖补修理稳定性分析

4.4 挖补修理压缩性能分析

4.5 渐进损伤分析

4.6 影响因素分析

4.7 单面加衬挖补修理后压缩性能比较

4.8 本章小结

第五章 蜂窝夹层结构贴补修理稳定性及压缩性能分析

5.1 贴补修理稳定性分析

5.2 贴补修理压缩性能分析

5.3 渐进损伤分析

5.4 影响因素分析

5.5 单面加衬贴补修理压缩性能比较

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文