平纹编织复合材料层板维修的挖补角度优化分析与试验验证-论文.pdf 5页

第15卷第18期2015年6月科学技术与工程V01．15No．18Jun．20151671—1815(2015)18-0147—05ScienceTechnologyandEngineering⑥2015Sci．Tech．Engrg．一般科学技术平纹编织复合材料层板维修的挖补角度优化分析与试验验证刘国春杨文锋秦文峰唐庆如(中国民用航空飞行学院航空工程学院，广汉618307)摘要鉴于平纹编织复合材料的广泛应用与该类型层板维修研究的缺失性，研究针对一系列不同修补角度的平纹编织复合材料层板维修工况，进行了三维有限元模型分析计算与试验验证，得到结论如下：修补角度的选取对于恢复强度的影响极为明显。研究使用的平纹编织复合材料层板结构最佳修补角度为4。，最大强度修复率达到了66．98％；分析采用的三维有限元修补模型得到的强度计算值与试验数据基本吻合，说明该计算模型能够满足维修设计的需求，为实际修理提供较好的维修指导。关键词平纹编织维修角度有限元分析试验验证中图法分类号TB330．1V214．8；文献标志码A随着先进复合材料结构在航空航天中的大量应补角去除原有未损伤材料过多，推荐的挖补角度为用，复合材料损伤结构的维修问题也日渐增长。现6。；并且应用碳纤维单向带实验验证了6。与3。修补阶段的复合材料结构维修主要以胶接挖补和贴补为角在该实验条件下修补强度无显著差异。汪源主，根据受损母板的铺层进行修补设计恢复其使用龙等人。。在维修模型分析中认为整个结构的破坏强度。其中胶接挖补在维修表面获得良好的气动外载荷由胶层完全破坏的载荷和损伤扩展路径的长度形有着较大的优势；因此针对复合材料胶接挖补修两方面来决定，前者随挖补角增大而减小，后者随挖理的应用与研究较多。在挖补修理技术中，按形式补角增大而增大，对于不同的材料、铺层等参数的层可分为楔形与阶梯挖补。其中阶梯挖补同时具有楔合板挖补修理结构最终强度是不同的，需要具体问形挖补与贴片修理的优点，补强能力与楔形挖补相题具体分析，从结构利用效率来讲，应该选择胶层的当，操作也较为简便。国内的孟凡颢等人_1J、喻失效载荷和结构最终破坏载荷最为相近的角度，在梅和徐建新等人分别从理论分析层面建立了他的计算模型中4。修补角为最优选择。综上所述，复合材料层合板挖补修理的有限元模型，研究了层对于复合材料修补最佳角度一般认为集中在3。～合板挖补修理的参数和修理失效判据等问题。陈光6。之间，而对于不同材料体系与铺层的复合材料层伟等人对阶梯型对接复合材料层板的力学性能板最优角度也不尽相同。进行了试验研究。国外的Baker、Chun和而平纹编织复合材料由于材料面内强度性能优Fredrickson等人l8分别建立了复合材料层合板阶梯异，逐渐在飞机结构中大量应用，具有代表性的应用式挖补修理结构的三维有限元模型，理论分析结果为波音787的尾翼结构材料。平纹编织复合材料与与试验结果吻合度较高，说明三维有限元模型分析单向带在性能上有较大差异，不适用于原有基于单层板阶梯挖补结构的方法可行。向带试验得到的修补方案，而基于平纹编织复合材复合材料层板维修的挖补角度，是决定修补质料的修补角度方案还未在相关文献中有所提及，因量的关键参数之一。传统的二维胶接分析模型认为此有必要从理论分析与试验验证两方面对于平纹编最佳挖补斜度为1：l5～1：18之间，换算为角度为织复合材料层板的修补角度进行详细研究。3。一4。，而《复合材料结构维修指南》中认为3。的挖1修补模型的有限元分析计算2015年3月1113收到国家自然科学基金民航联合基金(U1233202)资助1．1维修结构与材料参数第一作者简介：刘国春，男。硕士。讲师。E—inail：liugu。chun@研究的平纹编织碳纤维层板挖补修理中，母板a。。“。和补片通过胶层黏接在一起，材料性能参数见表1， l50科学技术与工程l5卷修理提供较为准确的参考指标。分析．机械科学与技术，2011；30(8)：13O4—1307XuJianxin，ZhangZhide，LiDinghe．Parametricstudyofbondedstep—从理论分析和试验验证的结果综合分析，4。是laprepairsforcompositelaminates．MechanicalScienceandTechnol—平纹编织复合材料层板损伤结构的最佳修补角度，ogyforAerospaceEngineering，2011；30(8)：1304-1307同时也应该注意到当修补角发生偏差时，对于修理4徐建新，曹小梅，李顶河．复合材料加筋板的阶梯式挖补修理稳结构强度的影响比较明显，因此在维修过程中间必定性分析．中国民航大学学报，2011；29(4)：1-3，19须要按照维修预定好的方案精确进行，以达到较好XuJianxin，CaoXiaomei，LiDinghe．ResearchOOstabilityofstifenedcompositelaminateswithstepped—laprepair．JournalofCivilAviation的修补效果。UniversityofChina，2011；29(4)：1m3，193结论5陈光伟，王富有，张国利，等．阶梯型对接层合板复合材料力学性能的试验研究．材料工程，2009；(s2)：182—185针对平纹编织复合材料层板损伤结构的最佳修ChenGuangwei，WangFuyou，ZhangGuoli，eta1．StudyOI1-thehie—chanicalperformanceoflaminatedcompositesofladdersplicing．Jour-理角度进行了分析，分别从三维有限元模型计算与相应的试验验证两方面研究，得到结论如下：nalofMaterialsEngineering，2009；(s2)：182—1856BakerAA．Developmentofahard-patchapproachforscarfrepairof(1)研究铺层条件下的平纹编织碳纤维／环氧compositestructure．DefenseScienceandTechnologyOrganization材料层板结构最佳修补角度为4。，结构最高修复强Repo~TR一1892；2006：19度恢复率达到了66．98％，该结论也可为其他类型7ChunHWang，AndrewJGunnion．Onthedesignmethodologyofscarfrepairstocompositelaminates．CompositesScienceandTechnol—的平纹编织复合材料层板维修提供参考。ogy，2008；68(1)：35—46(2)当修补角发生偏差时，对于修理结构强度8FredricksonBM，SchoeppnerGA，MollenhauerDH，eta1．Appliea-的影响比较明显，在维修过程中必须要精确设计与tionofthree·dimensionalsplinevariationalanalysisforcompositere-·实施。pair．CompositeStructures．2008；83：119—13O(3)研究中采用的三维有限元修补模型得到的9陈绍杰．复合材料结构修理指南．北京：航空工业出版社，2001强度值与试验数据基本吻合，说明该计算模型能够ChenSha@e．Theguideofcompositestructurerepair．Beijing：Avia-tionIndustryPress，2001满足维修设计的需求，为实际修理提供较为准确的1O汪源龙，程小全．拉伸载荷下挖补角对复合材料挖补修理的影参考指标。响．第十二届中国科学技术协会年会(第二卷)，2010：l一5WangYuanlong，ChengXiaoquan．Influenceofsear／angleOI3COIn—参考文献positescarfrepairunderatensileload．12thChinesescienceand1孟凡颢，陈绍杰，童小燕．层压板修理设计中的参数选择问题．TechnologyAssociationAnnualMeeting，2010：1-5复合材料学报，2001；18(4)：123—12711郭霞，关志东，刘遂，等．层压板双面挖补修理的拉伸性能MengFanhao，ChenShaojie，TongXiaoyan．Selectionofthedesign研究及参数分析复合材料学报，2012；29(1)：176—182parametersinlaminaterepair．AetaMateriaeCorupositaeSinica，GuoXia，GuanZhidong，LiuSui，eta1．Tensilebehaviorandpa—200l；l8(4)：123—127rameterdesigningofdoublesideflushrepairofcompositelaminates．2喻梅．复合材料结构挖补补强强度研究．南京：南京航空航天ActaMateriaeCompositaeSinica，2012；29(1)：176—182大学．200512中国航空研究院．复合材料结构设计手册．北京：航空工业出YuMei．Researchonbondedrepairsstrengthofcompositestructure．版社，2001Nanjing：NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2005InstituteofChineseAviationResearch．Handbookofcompositestrut—3徐建新，张志德．李顶河．复合材料层合板阶梯式挖补修理参数turedesign．Beijing：AviationIndustryPress，2001(下转第175页) l8期刘晓燕，等：多因素影响下煤层气井生产初期合理排水量确定175FuYu，GuoXiao，JiaYing，eta1．Newmathematicalmodelforbilityonwell-testanalysesandlong—termproductionofmethanefromeffectofcoalmatrixshrinkageonfracturepermeability．NaturalGascoalseams．TheSPEUnconventionalGasRecoverySymposium，Industry，2005；25(2)：143—145Pittsburgh：SPE，198416周军平，鲜学福，姜永东，等．考虑有效应力和煤基质收缩效应18BeggsH．D．BrillJ．P．astudyoftwophaseflowininclinedpipes．的渗透率模型．西南石油大学学报，2009；31(1)：4—8JPT，1973(5)：607—17ZhouJunping，XianXuefu，JiangYongdong，eta1．Apermeability19王德胜．现代油藏压裂酸化开采新技术实用手册．北京：石油modelconsideringtheeffectivestressandcoalmatrixshrinking工业出版社，2006：539—542effect．JournalofSouthwestPetroleumUniversity，2009；31(1)：WangDesheng．Modernreserviorfracturingacidizingminingnew4—8technologypraticalmanua1．Beijing：PetroleumIndustryPress，17SehwererFC，PavoneAM．Effectofpressure—dependentpermea—20061539—_542ReasonableDischargeRateofCBMWellinInitialProductionStageundertheInfluenceofManyFactorsLIUXia0一yah，LIZhi—ping，MAHong—ze，BAOXiao．hang，HANNingFUYingkun，(ChinaUniversityofGe0sciences(Beijing)，BeijingKeyLaboratoryofUnconventionalNaturalGasGeologyEvaluationandDevel。pmentEngineeringSchoolofEnergyandResource，Beiji“g100083，PR．China；Xingl0ngtaiEngineeringTechnol0gYDepartment．LiaohePetroleumExpl0raft。nBureauPanjin124107，PRChina；OilExtractionResearchInstitute，HuabeiOilfield，Renqiu062552，P．R．China)[Abstract]TodeterminethereasonabledischargerateofCBMwellininitialproductionstage，thedynamicper—meabilitymodelofcoalseamisestablishedconsideringtheeffectofeffectivestress，coa1matrixshrinkageandmi—grationofpulverizedcoa1．AnalyzingthecriticalflowoffluidssuspendingcoalfinesrateinCBMwe11．minimumdischargeratearedetermined．Duringthecoalbedmethaneproduction，whenthedischargerateishigherthantheminimumcriticaldischargerateinfavorofthepulverizedcoaloutput，thecoalbedreservoirpermeabilitvrebounds．Asthedischargerateincreases，thecoalreservoirpermeabilityincreasesfirst，thendecreasesattheendoftheini—tialproductionstageandthereasonabledischargerateisatthepeakpermeability．Usingthismathematica1m0de1thereasonabledischargerateofCBMwellininitialproductionstageisachieved．[Keywords]coalmatrixshrinkageeffectivestresspulverizedcoalmigrationperrneabilitvI．ea—sonabledischargerate＼pp≯p≯≯p≯≯≯p≯、p(上接第150页)OptimizationAnalysisandExperimentsVerificationonRepairAngleofPlain-wovenCompositeLaminatesRepairLIUGuo—chun，YANGWen—feng，QINWen-feng，TANGQing．FI1(AviationEngineeringInstitute，CivilAviationFlightUniversityofChina，Guanghan618307，R．China)lAbstract]Onconditionthatplain—wovencompositeiswidelyusedandlackofresearchingont‘tsrepaing，a3一dimensionalfiniteelementanalysismodelandcorrespondingexperimentsverificationweredevelopedforthedifr—entrepairanglesotplain‘wovencompositelaminates．Theresultsofcalculationsandexperimentsverificati0nshowthatrepairangledeclinationhasmucheffectonrecoveringstrength．Forthecasediscussed，thebestrepairang1eis4，themaximumstrengthrecoveringrateisupto66．98％．Ithasgreatvaluetootherplain．WOVencomD0sitere—pairing．Thecalculationsof3-dimensionalfiniteelementanalysismodelconformt0theresuItsofexperimentsso，theanalysismodelcouldbeofgreatsignificanceondirectingtheengineeringpracticeofcompositerepairing．1KeywordsJplain—wovenrepairanglefiniteelementanalysisexperimentverificati0n