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復(fù)合材料由于具有比剛度高、比強(qiáng)度大和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)的抗沖擊阻抗、抗沖擊韌性低，且在使用過(guò)程中不可避免的會(huì)受到冰雹、鳥(niǎo)撞、跑道沙石等物體的沖擊，從而造成層板內(nèi)部不可見(jiàn)的分層損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重?fù)p害了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用安全性。因而對(duì)受損復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)問(wèn)題日益突出，成為當(dāng)前飛機(jī)維護(hù)使用中亟待解決的重要問(wèn)題。
對(duì)受沖擊損傷復(fù)合材料層板，挖補(bǔ)修理是一種非常有效的結(jié)構(gòu)修理方法。修補(bǔ)過(guò)程為，先將受損部分挖去，留下一個(gè)具有錐度的孔，然后再用復(fù)合材料補(bǔ)片通過(guò)膠接的方法將其修補(bǔ)完整。
它對(duì)于修理曲率較大或有氣動(dòng)外形要求的表面具有一定的優(yōu)越性，而且由于不存在偏心載荷，補(bǔ)片的剝離應(yīng)力較小，可以最大限度的恢復(fù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，因而在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。從上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)不少學(xué)者開(kāi)始關(guān)注復(fù)合材料挖補(bǔ)修理研究，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)工作。1984年，Jones，J.S.和Graves，S.R.對(duì)受損Celion/LARC-160復(fù)合材料層板的挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)做了大量的試驗(yàn)工作，特別對(duì)壓縮載荷作用下的破壞載荷、破壞模式作了詳細(xì)地探討，指出挖補(bǔ)修理方法可以恢復(fù)未損傷層板80%左右的強(qiáng)度。
1995年，M.S.Found和M.J.Friend對(duì)挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，比較濕鋪貼和使用預(yù)浸料2種修補(bǔ)方式的修補(bǔ)效果，指出現(xiàn)場(chǎng)濕鋪貼修理至少可以提高未修補(bǔ)板破壞載荷的24%，采用預(yù)浸料修補(bǔ)可以得到更高的強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)。2001年，孟凡顥等對(duì)復(fù)合材料挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)挖補(bǔ)修理可以使損傷件的強(qiáng)度恢復(fù)到完好母板的90%以上。理論分析方面在相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法進(jìn)行了初步探討。由于挖補(bǔ)結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)形比較特殊，膠層厚度相對(duì)很薄且處于復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致在有限元計(jì)算中對(duì)膠層的處理非常關(guān)鍵。1998年，C.Soutis和F.Z.Hu在斜接式搭接研究的基礎(chǔ)上，對(duì)挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，其中復(fù)合材料母板、補(bǔ)片和膠層均采用8節(jié)點(diǎn)體元建模。但是這種方法的通用性不好，因?yàn)槟z層厚度相對(duì)很薄，用8節(jié)點(diǎn)體元模擬很容易造成單元體3個(gè)方向尺寸相差過(guò)大，導(dǎo)致其剛度矩陣出現(xiàn)奇異。若要避免剛度矩陣出現(xiàn)奇異，則需要過(guò)密地劃分膠層單元，這又勢(shì)必帶來(lái)無(wú)法承受的計(jì)算工作量。2001年，孟凡顥等也采用有限元法對(duì)復(fù)合材料挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，膠層用16節(jié)點(diǎn)節(jié)理單元來(lái)模擬，節(jié)理單元實(shí)際上是連續(xù)體單元在厚度趨于零時(shí)的一種極限情況，這樣處理避免了有限單元的奇異性，同時(shí)減少了單元數(shù)目，簡(jiǎn)化了運(yùn)算。但是節(jié)理單元不能考慮膠層內(nèi)應(yīng)力的變化情況，計(jì)算結(jié)果也沒(méi)有與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。
基于Patran/Nastran大型有限元軟件對(duì)復(fù)合材料層板的挖補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)應(yīng)力分析，在膠層以及靠近膠層的層板部分采用五面體等參元來(lái)模擬，其余部分用六面體等參元來(lái)劃分，這樣有效避免了單元的奇異性，并精確計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。繼而，引入Tsai-Hill強(qiáng)度準(zhǔn)則和最大剪應(yīng)力破壞判據(jù)對(duì)挖補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓縮強(qiáng)度預(yù)報(bào)。此外，通過(guò)PCL語(yǔ)言(Patran Com-mand Language)實(shí)現(xiàn)了挖補(bǔ)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，通過(guò)詳細(xì)探討修補(bǔ)參數(shù)的影響規(guī)律，得出若干具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。
挖補(bǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型及剩余強(qiáng)度計(jì)算復(fù)合材料層板挖補(bǔ)修理結(jié)構(gòu)如圖所示，受單向或雙向的壓縮載荷作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，本文取1/4板作為研究對(duì)象，進(jìn)行三維有限元建模計(jì)算。由于挖補(bǔ)修理角度(簡(jiǎn)稱挖補(bǔ)角)比較小，且膠層厚度相對(duì)于層板尺寸非常小，因此幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為了有效地避免有限單元的奇異性，劃分單元之前，先對(duì)挖補(bǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊處理，將補(bǔ)片和母板分別分成2部分，靠近膠層的部分(補(bǔ)片2和母板2)以及膠層采用五面體等參元來(lái)模擬，其余部分采用六面體等參元模擬。公共面上保證單元間的協(xié)調(diào)性，并消除重復(fù)節(jié)點(diǎn)。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分如圖所示。
通過(guò)Patran/Nastran有限元計(jì)算，可以得到模型中各單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力在總體坐標(biāo)下的6個(gè)分量，即σx，σy，σz，τxy，τyz和τzx。由于6個(gè)應(yīng)力分量中σx，σy和τxy起主導(dǎo)作用，其余3個(gè)應(yīng)力分量值相對(duì)很小，可以略去不計(jì)。因而近似認(rèn)為復(fù)合材料板處于平面應(yīng)力狀態(tài)，可采用經(jīng)典層合板理論對(duì)其進(jìn)行剛度計(jì)算，求出有限單元各節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)變分量εx，εy和γxy，進(jìn)而根據(jù)應(yīng)變連續(xù)的假設(shè)以及節(jié)點(diǎn)的空間位置確定單元內(nèi)各單層板的面內(nèi)平均應(yīng)變值，從而可以求出各單層板在材料主方向上的應(yīng)力值σ1，σ2和τ12，最后結(jié)合Tsai-Hill強(qiáng)度理論求解單層板的強(qiáng)度。膠層為各向同性材料，其破壞模式主要是沿膠接面的剪切破壞，因此需要將膠層單元的空間應(yīng)力等效到沿膠接面的剪應(yīng)力，采用最大剪應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度求解。
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