复材损伤结构胶接修复工艺与评估方法的研究

摘要

复合材料因具备很多优越特性被广泛地应用于航空航天等领域。然而复合材料的修理问题却阻碍了其进一步地广泛应用。这是因为复合材料结构在制造、装配及服役使用与维护过程中可能会产生缺陷或受到损伤。损伤会使复材结构的承载能力受到影响，导致结构的使用寿命缩短。开展复材损伤结构修复技术与性能评估方法的研究，具有重要的理论意义和工程价值。针对此问题，对复材进行胶结修补，探究寻找有效的方法来评估损伤修复性能。论文的主要研究内容和成果有：
　　（1）研究了复合材料层合板损伤识别的相关理论，基于复合材料层合板经典理论为损伤的识别提供力学的本构方程。在力学的本构方程的基础上，提出了固有频率、模态应变和应力集中因子三种方法来对含损复合材料层合板损伤修复程度进行评估，并进行理论分析和公式推导。
　　（2）采用全新的复合材料前/后处理模块（ACP）在ANSYS workbench有限元的平台上对层合板进行胶结修复结构的建模。由于现实中对复合材料损伤进行修补时需要将损伤部位进行挖除形成简单孔，因此本文以损伤孔的大小来模拟损伤程度。通过提取层合板在不同状况下的模态频率、损伤孔周的模态应变及离损伤孔一定距离的应力分布和应力集中因子等数据进行分析。取得相应的结论：固有频率的方法对损伤修复程度的评估有一定的参考作用；用模态应变进行评估发现，损伤结构经单面胶结贴补的损伤恢复率在17％～68%之间，经双面胶结贴补的损伤恢复率在68%以上；单面修补后层合板结构应力集中因子下降大约20%，双面修补后层合板结构的应力集中因子下降约50%。
　　（3）采用共固化的胶结方式对含损层合板进行胶结贴补修理。根据有限元优化和前人的实验数据，采用湿法铺层的方法制作预浸料补片，利用复合材料修补仪和自制的真空袋来对含损层合板进行单面和双面的胶结修补实验，制作实验所需的几组试样件，以供后续实验测试使用。
　　（4）基于PVDF压电传感器来获取层合板结构的动态电压信息，对电压信号进行滤波降噪和幅频变化等处理，试验研究表明：利用压电信号在不同频率阶段进行修补效果评估有一定的误差，但在低频状况下，利用压电信号能很好的进行评估，发现单面修补的恢复率在60%以上，双面修补的恢复率在90%以上,同时也验证了层合板对低速冲击比较敏感。采用B样条曲线对层合板各阶固有频率下对应的应变模态振型曲线进行拟合，发现含损结构经单面胶结修补后损伤部位的模态应变值能至少恢复45%，经双面胶结修补能至少恢复90%；对层合板结构进行三点弯曲实验，利用静态应变来进行评估，发现含损层合板结构经单面修补后损伤部位的静态应变至少恢复到原来的50%，经双面修补至少能恢复到原来的88%。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景与选题依据

1.2复合材料结构修理方法的介绍

1.3 复合材料修补研究分析的国内外现状

1.4论文研究的意义与内容

第二章 层合板损伤修复性能评估的理论分析

2.1 引言

2.2复合材料力学基础

2.3 结构固有特性的损伤识别方法

2.4 含孔复合材料层合板应力集中因子的计算

2.5本章小结

第三章 胶结贴补修复结构的有限元模拟分析

3.1引言

3.2胶结贴补修复结构有限元分析

3.3 层合板损伤的评估模拟分析

3.4 本章小结

第四章 碳纤维复合材料层合板胶结修补工艺及样件制作

4.1 引言

4.2 碳纤维复合材料层合板胶结修补工艺

4.3 层合板修补结构试验件制作

4.4 小结

第五章 层合板胶结后试件性能的实验评估

5.1 引言

5.2 基于PVDF压电信号的修复性能评估

5.3 基于模态应变的修复性能评估

5.4 基于静态应变的修复性能评估

第六章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2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