碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28676

材料工程与机械制造

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碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效

刘礼平¹(), 齐雨阳¹, 蔺越国¹, 鲍蕊², 徐建新¹, 冯振宇³, 卿光辉¹

^1.中国民航大学航空工程学院，天津　300300
^2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京　100083
^3.中国民航大学安全科学与工程学院，天津　300300

收稿日期:2023-03-09 修回日期:2023-03-15 接受日期:2023-06-30 出版日期:2023-07-10 发布日期:2023-07-07
通讯作者: 刘礼平 E-mail:liuliping_tj@163.com
基金资助:
天津市科技计划(21JCYBJC00710)

Tensile failure of carbon fiber composite material bonded-rivet hybrid repaired structure

Liping LIU¹(), Yuyang QI¹, Yueguo LIN¹, Rui BAO², Jianxin XU¹, Zhenyu FENG³, Guanghui QING¹

^1.College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China
^2.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 　100083，China
^3.College of Safety and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China

Received:2023-03-09 Revised:2023-03-15 Accepted:2023-06-30 Online:2023-07-10 Published:2023-07-07
Contact: Liping LIU E-mail:liuliping_tj@163.com
Supported by:
Tianjin Science and Technology Plan(21JCYBJC00710)

摘要/Abstract

摘要：

针对碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效，对碳纤维复合材料完好板和胶铆混合修理结构进行了静载拉伸实验，分析了完好板和胶铆混合修理结构的承载能力、加载过程的应变分布特性以及两者的失效模式；通过有限元仿真分析了胶铆混合修理结构胶层和母板的损伤起始、损伤扩展；对胶铆混合修理结构不同位置的铆钉进行分区受载研究，以分析混合修理结构在拉伸载荷作用下的受力模式和传力路径，进一步揭示胶铆混合修理结构的失效模式。研究结果表明，胶铆混合修理结构在静载拉伸下，胶层首先在拉伸导致的偏心载荷引起补片翘曲所产生的剥离应力和拉伸时的横向切应力共同作用下，沿载荷方向两侧边缘开始失效并向内扩展。胶层大部分失效后，母板失效先从90°铺层外排铆钉孔边起始，沿垂直于载荷方向扩展，随后±45°铺层和0°铺层先后出现同样损伤。混合修理结构在拉伸时由胶层和铆钉共同将一部分拉伸载荷从母板传递到补片上，提升了混合修理结构的力学性能。

关键词: 复合材料, 胶铆混合修理, 有限元分析, 失效模式, 拉伸强度

Abstract:

The experimental research was conducted on the intact composite plate and the composite bonded-rivet hybrid repairing structure， aiming at the tensile failure of carbon fiber composite bonded-rivet hybrid repairing structure. The load bearing ability and strain distribution mode during stretching and failure were analyzed. Through finite element simulation， the initiation and propagation of damage in the adhesive layer and mother board of the composite bonded-rivet hybrid repairing structure were studied. Load division research was carried out on different positions in the hybrid repairing structure to analyze its load bearing mode and load transmission route， further revealing its failure mode. The results show that under tensile load， the adhesive layer starts to fail first and expands inward along two edges of the load direction due to peeling stress caused by patch warping resulting from eccentric loading during stretching. After most of the adhesive layer fails， failure of the mother board begins from 90° layers outside row rivet holes and expands perpendicular to the load direction. Subsequently， ±45° and 0° layers exhibit similar damage patterns. During stretching， part of the tensile load can be transmitted to the patch through both adhesive layer and rivets， thereby improving mechanical properties ofthe hybrid repairing structure.

Key words: composite materials, adhesive-rivet hybrid repair, finite element analysis, failure mode, tensile strength

中图分类号:

V258⁺.3

刘礼平, 齐雨阳, 蔺越国, 鲍蕊, 徐建新, 冯振宇, 卿光辉. 碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 428676-428676.

Liping LIU, Yuyang QI, Yueguo LIN, Rui BAO, Jianxin XU, Zhenyu FENG, Guanghui QING. Tensile failure of carbon fiber composite material bonded-rivet hybrid repaired structure[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(24): 428676-428676.

图/表 24

表 1

表 2

图1

表 3

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图 4

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图 19

参考文献 23

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

T700/BA9916材料性能	数值
11方向上的弹性模量E₁₁/GPa	121.0
22/33方向上的弹性模量E₂₂=E₃₃/GPa	8.7
12/13方向上的剪切模量G₁₂=G₁₃/GPa	4.16
23方向上的剪切模量G₂₃/GPa	3.00
12/13方向上的泊松比ν₁₂=ν₁₃	0.30
23方向上的泊松比ν₂₃	0.45
x方向的拉伸强度极限X_T/MPa	2 395
x方向的压缩强度极限X_C/MPa	1 209
y/z方向的拉伸强度极限Y_T=Z_T/MPa	62.5
y/z方向的压缩强度极限Y_C=Z_C/MPa	207.0
12/13方向的剪切强度极限S₁₂=S₁₃/MPa	134.6
23方向的剪切强度极限S₂₃/MPa	97.0

J116B胶粘剂性能	数值
法向弹性模量E_nn/GPa	1.00
切向弹性模量E_ss=E_tt/GPa	1.74
法向极限应力σ_0，n/MPa	14.6
切向极限应力σ_0，s=σ_0，t/MPa	27.5
法向、切向剪切模量 G_c，n=G_c，s=G_c，t/（N·mm^-1）	1.0

层合板类型	修理方式	组号	试验件编号	补片长度/mm
30 mm损伤板	胶铆修理	H30	1~3	157.5
60 mm损伤板	胶铆修理	H60	4~6	187.5
完好板	无修理	W	7~9	无补片

组号	平均失效载荷/kN	拉伸强度恢复率/%
H30	140.06	77.33
H60	129.39	71.44
W	181.12	无拉伸

组号	最大失效载荷/N		误差/%
组号	仿真	实验	误差/%
H30	158 077	140 060	12.86
H60	118 353	129 390	-8.53

碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效

Tensile failure of carbon fiber composite material bonded-rivet hybrid repaired structure

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