固化残余应力和变形对钛合金损伤构件CFRP单面贴补结构拉伸性能的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31997

材料工程与机械制造

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固化残余应力和变形对钛合金损伤构件CFRP单面贴补结构拉伸性能的影响

范春浩¹, 胡俊山¹(), 杨智勇², 侯富森¹, 陈培林¹, 田威¹

^1.南京航空航天大学机电学院，南京 210016
^2.航天材料及工艺研究所，北京 100076

收稿日期:2025-03-19 修回日期:2025-04-25 接受日期:2025-06-10 出版日期:2025-06-16 发布日期:2025-06-13
通讯作者: 胡俊山 E-mail:hujunshan@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52475160);江苏省自然科学基金(BK20231444);中央高校基本科研业务费专项资金(NT2024013)

Effects of curing residual stress and deformation on tensile performance of CFRP single-sided patch-repaired titanium alloy damaged components

Chunhao FAN¹, Junshan HU¹(), Zhiyong YANG², Fusen HOU¹, Peilin CHEN¹, Wei TIAN¹

^1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Aerospace Research Institute of Materials & Technology，Beijing 100076，China

Received:2025-03-19 Revised:2025-04-25 Accepted:2025-06-10 Online:2025-06-16 Published:2025-06-13
Contact: Junshan HU E-mail:hujunshan@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52475160);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20231444);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(NT2024013)

摘要/Abstract

摘要：

碳纤维复合材料（CFRP）由于力学性能优异、工艺实施性强等特点，常用来修复受损的航空金属构件，然而由于金属、胶层、补片的物理化学性质差异，成型后在贴补区域往往会引发固化残余应力并产生变形，对贴补结构承载性能造成影响。针对残余应力、固化变形的影响开展研究，设计了钛合金损伤构件CFRP单面贴补修复的拉伸试验，同时建立了从共固化胶接到准静态拉伸的多阶段数值分析方法。通过试验与仿真结果的综合分析，厘清了固化阶段胶层应变演化行为，对比了拉伸阶段应力-应变曲线、损伤失效形式，探究了固化工艺对拉伸性能的影响规律。结果发现，固化过程胶层应变可分为5个阶段，且仿真与试验误差不超过20%；拉伸过程考虑残余应力、固化变形的多阶段模拟方法，与试验所得应力-应变曲线更吻合，极限拉伸应力误差仅为1.39%，且仿真反映的各材料破坏形式与试验相同；在固化工艺方面，减缓升温速率、延长保温时间，有助于补片、胶层固化度提高、模量增大，并且使得承载方向上钛合金母板的拉应力减小、压应力增大，最终令结构表现出更优异的拉伸性能。

关键词: 复合材料, 贴补修复, 钛合金损伤构件, 固化残余应力和变形, 多阶段数值分析, 拉伸性能

Abstract:

Due to its excellent mechanical properties and strong process feasibility， CFRP is commonly used to repair damaged aerospace metal components. However， the differences in physicochemical properties among the metal， adhesive layer， and patch often induce curing residual stresses and deformation in the bonded area after forming， which can affect the load-bearing performance of the repaired structure. This study investigates the effects of residual stress and curing deformation. Tensile tests were designed for single-sided CFRP patch repairs on damaged titanium alloy components， and a multi-stage numerical analysis method was established， covering the process from co-curing bonding to quasi-static tensile loading. Through comprehensive analysis of experimental and simulation results， the strain evolution behavior of the adhesive layer during the curing stage was clarified， the stress-strain curves and damage failure modes during the tensile stage were compared， and the influence of curing processes on tensile performance was explored. The results show that the strain in the adhesive layer during curing can be divided into five stages， with a simulation error of less than 20% compared to experimental data. The multi-stage simulation method， which accounts for residual stress and curing deformation， yields stress-strain curves that align more closely with experimental results， achieving an error of only 1.39% in ultimate tensile stress. Additionally， the failure modes of different materials observed in the simulation matched those in the experiments. Regarding curing processes， reducing the heating rate and extending the dwell time improved the curing degree and modulus of the patch and adhesive layer. This also reduced tensile stress and increased compressive stress in the titanium alloy substrate along the loading direction， ultimately enhancing the overall tensile performance of the structure.

Key words: composite materials, patch repair, damaged titanium alloy components, curing residual stress and deformation, multi-stage numerical analysis, tensile performance

中图分类号:

V267⁺.45

范春浩, 胡俊山, 杨智勇, 侯富森, 陈培林, 田威. 固化残余应力和变形对钛合金损伤构件CFRP单面贴补结构拉伸性能的影响[J]. 航空学报, 2026, 47(3): 431997.

Chunhao FAN, Junshan HU, Zhiyong YANG, Fusen HOU, Peilin CHEN, Wei TIAN. Effects of curing residual stress and deformation on tensile performance of CFRP single-sided patch-repaired titanium alloy damaged components[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(3): 431997.

图/表 26

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

表1

表2

热-力学模型所需参数［11，42-44］

参数	纤维	树脂	TC4
弹性模量/MPa	E_lf=138 000	$E r ∞$ =2 910	E_TC4=110 000
弹性模量/MPa	E_tf=9 310	$E r ∞$ =2 910	E_TC4=110 000
剪切模量/MPa	G_23f=5 000
剪切模量/MPa	G_12f=G_13f=4 810
泊松比	ν_23f=0.45	ν_r=0.38	ν_TC4=0.34
泊松比	ν_12f=ν_13f=0.32	ν_r=0.38	ν_TC4=0.34
热膨胀系数/（10^-6 K^-1）	β_11f=-0.9	β_r=81.4	β_TC4=8.6
热膨胀系数/（10^-6 K^-1）	β_22f=β_33f=7.2	β_r=81.4	β_TC4=8.6
化学收缩系数/10^-3		γ_r=6.98

表2

表3

图 7

表4

树脂的损伤模型参数［18］

参数	数值	参数	数值
黏结力d/MPa	97.6	摩擦角β/（°）	37.7
D-P指数κ	0.8	断裂能G/（J·m^-2）	1
初始损伤应变 $ε ¯$ $p d$	0.25

表4

表5

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

参考文献 48

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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

参数	数值	参数	数值
ρ_c/（kg·m^-3）	1 230	V_f/%	67
c_c/（J·kg^-1·K^-1）	1 580	H_r/（J·g^-1）	401.5
c_a/（J·kg^-1·K^-1）	1 740	A/（10¹⁰s^-1）	1.494
k_x /（W·m^-1·K^-1）	5.43	ΔE/（J·mol^-1）	94 750
k_y， k_z /（W·m^-1·K^-1）	0.41	m	0.45
ρ_a/（kg·m^-3）	1 600	n	1.877
k_TC4/（W·m^-1·K^-1）	7.955	c_TC4/（J·kg^-1·K^-1）	612

参数	数值	参数	数值
初始屈服应力A′	1 040	a₁	-0.09
应变硬化模量B′	1 030	a₂	0.27
应变硬化指数n′	0.757	a₃	-0.48
应变率硬化系数C′	0	a₄	0
温度软化指数m′	0	a₅	0

参数	数值
纤维方向拉伸强度X_T/MPa	2 890
纤维方向压缩强度X_C/MPa	2 065
面内横向拉伸强度Y_T/MPa	92
面内横向压缩强度Y_C/MPa	187
厚度方向拉伸强度Z_T/MPa	92
厚度方向压缩强度Z_C/MPa	187
23面内剪切强度S₂₃/MPa	61
12、23面内剪切强度S₁₂=S₁₃/MPa	107

固化残余应力和变形对钛合金损伤构件CFRP单面贴补结构拉伸性能的影响

Effects of curing residual stress and deformation on tensile performance of CFRP single-sided patch-repaired titanium alloy damaged components

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