复合材料层合板阶梯式挖补修理的刚度分析

第26卷　第5期2005年9月 宇　航　学　报Journal of AstronauticsV ol.26　N o.5 September 2005复合材料层合板的可靠性分析方法安伟光,赵维涛,杨多和(哈尔滨工程大学航天工程系,哈尔滨150001) 摘　要:基于复合材料层合板的一阶横向剪切变形理论,提出了同时考虑层合板面内和分层破坏的可靠性分析方法。

该方法考虑了层间应力对层合板分层的影响,结合Tsai 2Hill 理论和层合板分层判据,给出了安全余量的表达形式,并考虑了各失效模式之间的相关性。

在失效分析过程中,采用蔡氏所提出的刚度退化规律进行刚阵的减缩;利用随机有限元方法对安全余量进行敏度分析,结合改进的一次二阶矩法求解可靠性指标;用改进的分枝限界法寻找主要失效路径;用PNET 法计算系统失效概率。

计算表明,当考虑分层失效时结构系统失效概率有所增加,这是符合工程实际情况的。

因此,设计过程中考虑分层失效是必要的。

关键词:可靠性;复合材料层合板;随机有限元;面内破坏;分层破坏中图分类号:V414 文献标识码:A 文章编号:100021328(2005)0520672204收稿日期:2004210213;　修回日期:2005201228基金项目:国防科工委军工技术基础基金资助(Z 192002A001);国防科工委专著基金(委办人【2002】86号)0　引言由于复合材料具有高的比强度和比刚度,较好的疲劳性能,热绝缘性和各向异性等有点。

因此,在航空、航天等领域中越来越多的用于承力构件和部件。

目前,针对层合板结构的力学模型已基本成熟[1-4]。

然而,关于层合板结构的可靠性分析,这方面的文献相对较少[5,6],并且在这些文献中大多均未考虑层间应力对分层的影响。

本文基于层合板的一阶横向剪切变形理论,考虑τxz 、τyz 和σz 对分层的影响,并结合单向板强度理论建立了关于层合结构面内和分层破坏的安全余量。

另外,本文除了将材料强度参数和外载看成随机变量外,还将材料性能参数(如弹性模量等)也看成随机变量。

DOI：10.19936/ki.2096-8000.20210528.015挖补修理复合材料层合板静力压缩与疲劳性能试验研究苏雨茹，关志东*，王鑫，张书铭，黎增山(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：挖补修理是应用较广的复合材料结构永久性修理方法。

本文对热补仪固化的湿铺层挖补修理和预浸料挖补修理复合材料层合板的静力压缩和压-压疲劳性能进行试验研究。

试件挖补斜度为1：30,有3种损伤大小。

疲劳试验的峰值和谷值为70%和7%限制载荷，共100万次。

疲劳过程中采用无损C扫描检测试件的损伤及扩展情况。

记录静力及疲劳后静力的应变数据、破坏载荷及破坏模式。

试验结果表明：两种修理方式的试件在疲劳过程中均未出现损伤及扩展现象，疲劳后试件刚度未有降低;修理方式、是否经过疲劳和损伤大小对试件的屈曲载荷和破坏载荷没有影响；端部压溃试件比中部折断试件破坏载荷更高；两种修理方式的破坏载荷均可达限制载荷的200%以上,修理效果较为理想。

关键词：挖补修理；湿铺层；热补仪；压缩性能；压-压疲劳；复合材料中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)05-0098-061前言复合材料作为一种新型高性能材料,具有比强度高、比刚度高、耐高温、抗疲劳等优异特性,已被广泛应用于航空领域［1］°飞机复合材料结构在使用过程中不可避免地会产生各种损伤，威胁到结构的使用安全［2］，需对其进行修理以恢复使用功能⑻°胶接挖补修理是一种永久性修理法，修理后结构强度恢复率高,表面具有良好的气动性能。

一般采用预浸料作为修理材料，当固化设备及材料缺少时，工程上常采用湿铺贴方式代替预浸料修理方式,配合使用热补仪更有利于外场修理。

修理后结构的承载能力是表征结构性能的关键因素。

复合材料结构在工况中不仅会受到静载，还经常会受到疲劳载荷的影响。

国内外学者对复合材料挖补修理结构进行了大量研究。

研究结果表明，挖补修理层合板的拉伸和压缩强度恢复率均可达到80%以上［4,5］°刘遂等［6-8］对挖补修理后的平面编织混杂铺层层合板的拉伸性能进行了试验及数值研究。

复合材料的挖补修理Composite materials are widely used in various industries due totheir lightweight, high strength, and corrosion resistance. However, these materials are susceptible to damage and may require patch repairs to maintain structural integrity. When it comes to patch repairs for composite materials, it is essential to consider the type of damage, the material being repaired, and the repair method used.复合材料由于其轻质、高强度和耐腐蚀性而被广泛应用于各个行业。

然而，这些材料容易受损，可能需要挖补修理来保持结构完整性。

当涉及到复合材料的挖补修理时，必须考虑损坏类型、被修复的材料以及所使用的修理方法。

There are several common types of damage that can occur in composite materials, including delamination, impact damage, and cracking. Delamination is a separation of layers within the composite material, which can weaken the overall structure. Impact damage, on the other hand, occurs when an external force causes a dent or puncture in the material. Cracking can also occur due to stress or age, leading to potential structural failure if not addressed.复合材料中可能发生的常见损坏类型包括分层、冲击损伤和开裂。

研究与开发合成纤维工业,2023,46(4):31CHINA㊀SYNTHETIC㊀FIBER㊀INDUSTRY㊀㊀收稿日期:2023-03-01;修改稿收到日期:2023-07-10㊂作者简介:户迎灿(1980 ),男,教授级高级工程师,主要从事轨道车辆用碳纤维复合材料研究㊂E-mail:huyingcan @㊂㊀∗通信联系人㊂E-mail:1363415806@㊂基于预浸料挖补修理法的轨道车辆用CFRP 结构修复研究户迎灿1,张联合1,曾㊀宇1,李励宸2,靳㊀凯2∗(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266000;2.中国海洋大学,山东青岛266000)摘㊀要:采用碳纤维预浸料结合损伤挖补修理法修复轨道车辆用碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板,研究了打磨斜度㊁打磨阶梯数㊁修复补片结构等参数对修复件压缩性能的影响,并利用数字图像相关测试系统探究了修复件的断裂特性㊂结果表明:各因素对CFRP 层合板修复件压缩强度的影响大小依次为补片结构㊁打磨阶梯数㊁打磨斜度,各因素对CFRP 层合板修复件刚度的影响大小依次为补片结构㊁打磨阶梯数㊁打磨斜度;当打磨斜度为1 5,打磨阶梯为4阶梯㊁补片结构为[+45/-45]8s 时,CFRP 层合板的修补效果较好;在CFRP 层合板修复过程中需避免使用0阶梯+编织补片的组合进行修复,同时应避免打磨斜度过大,使修补区过于接近补板边缘,造成修补效果不理想㊂关键词:碳纤维增强复合材料㊀预浸料㊀挖补修理法㊀修复㊀压缩性能中图分类号:TQ342+.74㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1001-0041(2023)04-0031-05㊀㊀近年来,随着轨道交通行业的快速发展,轨道交通工具的轻量化成为其发展方向之一[1]㊂碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种优良的轻量化材料,因具有高的比强度和比刚度㊁优良的耐腐蚀性㊁非常好的抗疲劳性,被广泛应用于轨道交通领域,如轨道车辆的箱体㊁驾驶室㊁设备舱等[2-3]㊂随着CFRP 的快速发展,CFRP 结构件修补问题也随之而来,对CFRP 结构件的损伤部位进行去损及修复对其使用安全至关重要[4]㊂当前70%以上的CFRP 结构件的修复是通过机械加工去除损伤部位后,再用预浸料铺贴去损部位固化修复[5]㊂传统的CFRP 的去损方式包括铣削加工㊁钻削加工和砂轮加工,但这3种方式的切削量均较大,且在高速下易产生大量的摩擦热,导致CFRP 表面热损伤[6]㊂与传统的机床加工相比,机器人打磨CFRP 则具有更高的灵活性和可控性,通过调整机器人的抓握姿势㊁磨削头位置和压力,可以优化CFRP 的磨削效率㊂常见的CFRP 结构件的修补方法有湿法修补㊁预固化修补和预浸料修补[7-8],其中预浸料修补具有修复时间短㊁效率高等优点㊂M.ASHRAFI 等[9]使用电流通过嵌入黏合层中的编织石墨-环氧树脂预浸料产生的热量来进行固化修复,提高了预浸料固化时的温度均匀性㊂ D.HOSKINS 等[10]采用超声波振动取代传统真空袋法用于碳纤维-环氧树脂预浸料的固化,结果表明超声波固化的CFRP 的层间剪切强度与真空袋法相当,但是超声波固化容易引起CFRP 分层范围扩大,形成潜在损伤㊂LI G Q 等[11]对层压梁试样进行低速冲击预损伤,然后使用紫外线固化树脂修复受损试样,结果表明紫外线固化树脂是一种快速㊁坚固㊁耐用㊁经济㊁有效的修复低速冲击损伤复合材料层压板的方法㊂张宁等[12]针对传统补片固化工艺成本高㊁能耗大及成型时间长等问题,利用碳纳米管薄膜作为加热元件与复合材料预浸料补片进行集成,通过电加热固化达到修补损伤结构的目的,但是在电加热预浸料的过程中,由于电流直接通入使得碳纤维周围局部温度过高使得基体容易发生热损伤㊂陈浩等[13]通过对光固化复合材料预浸料补片相关特性进行开发性㊁对比性试验,优化了补片的设计制备工艺,提高了补片的强度和寿命,缩短了补片的光固化时间,但是光固化效率较慢,不适合大批量修复㊂作者基于碳纤维预浸料和挖补修理法修复受损地铁壁板的CFRP 层合板,研究了打磨斜度㊁打磨阶梯数㊁修复补片结构等参数对修复件压缩性能的影响,并利用数字图像相关(DIC)测试系统探索了修复件的断裂特性,以期为地铁等轨道交通用复合材料损伤修复技术研究提供一定的指导和借鉴㊂1㊀实验1.1㊀主要原料编织带阻燃预浸料:牌号ACTECH1201FR/ CW380TW-3,厚度0.25mm,中航复合材料有限责任公司产;单向带阻燃预浸料:牌号ACTECH 1201FR/T700,厚度0.25mm,中航复合材料有限责任公司产;胶膜:牌号ACTECH1201R220,厚度0.18mm,单位面积质量(220ʃ24)g/m2,中航复合材料有限责任公司产;CFRP层合板:铺贴结构为平纹编织,厚度为4mm,预损伤深度为2mm,直径为10mm的圆柱形缺陷,中车青岛四方机车车辆公司提供㊂编织带阻燃预浸料和单向带阻燃预浸料的性能见表1㊂表1㊀编织带和单向带阻燃预浸料的性能参数Tab.1㊀Performance parameters of flame retardantprepreg for woven and unidirectional tapes项目参数编织带阻燃预浸料单向带阻燃预浸料树脂质量分数/%40ʃ340ʃ3纤维面密度/(g㊃m-2)380ʃ20190ʃ50ʎ拉伸强度/MPa1025217090ʎ拉伸强度/MPa9210ʎ压缩强度/MPa842132090ʎ压缩强度/MPa821弯曲强度/MPa10501551层间剪切强度/MPa5080玻璃化转变温度/ħ143143阻燃等级HL2HL2 1.2㊀主要仪器与设备FANUC/M20iD工业机器人㊁磨削高速主轴电机㊁金刚石磨头:日本FANUC株式会社制; ACR MiniPRO热补仪:美国briskheat公司制;Q-400DIC应变测量仪:德国丹迪公司制;C52.105微机控制电子试验机:新三思(上海)企业发展有限公司制㊂1.3㊀实验过程按图1所示打磨结构及表2所设计的正交实验,首先采用机器人夹取金刚石磨头对CFRP层合板损伤部分进行打磨去损,然后按照打磨后各阶梯的半径剪出同样尺寸的预浸料补片,先在阶梯的最下层铺贴一层胶膜,然后按照表2补片结构所对应的铺贴顺序进行预浸料的铺贴,并在最外层多铺贴一层预浸料以强化固化后的强度㊂固化时,采用真空袋对层合板进行包装,在真空状态下,使预浸料补片以2ħ/min的速率加热至120ħ,然后在120ħ状态下保温30min,随后在空气中冷却至70ħ后结束固化㊂未受损的CFRP层合板标记为0#0试样,预损伤深度为2mm 的CFRP层合板标记为0#1试样㊂图1㊀打磨结构示意Fig.1㊀Schematic of grinding structure表2㊀正交实验设计Tab.2㊀Orthogonal experimental design试样打磨斜度打磨阶梯数补片结构1#1 50[0/90]8s2#1 52编织3#1 54[+45/-45]8s 4#1 100编织5#1 102[+45/-45]8s 6#1 104[0/90]8s7#1 150[+45/-45]8s 8#1 152[0/90]8s9#1 154编织1.4㊀分析与测试压缩性能:采用微机控制电子试验机,按ASTM D7137/D7137M 12[14]对CFRP层合板修复件试样进行测试,得到试样的载荷-位移曲线,然后按式(1)计算试样的最大压缩强度(P),按式(2)计算试样的压缩强度恢复率(P h),按式(3)计算试样的刚度(K),按式(4)计算试样的刚度恢复率(K h)㊂P=F/S(1)P h=P/P yˑ100%(2)K=F/δ(3)K h=K/K yˑ100%(4)式中:F为最大压缩力,S为压缩方向截面积,δ为形变大小,P y为未受损CFRP层合板的压缩强度,K y为未受损CFRP层合板的刚度㊂裂纹DIC图像:采用DIC测试系统从两个角度对修复件进行拍照,其中一个镜头正对准修复件的正中心,另一个镜头偏离一定角度,获得修复23㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年第46卷件压缩断裂前0.08s 的图像,然后通过捕捉图像像素点的位移量来判断材料受压而产生形变的区域,利用相关计算获取相关区域的变形信息㊂2㊀结果与讨论2.1㊀CFRP 层合板修复件的压缩性能不同修复条件下CFRP 层合板修复件的载荷-位移曲线如图2所示㊂图2㊀CFRP 层合板修复件的载荷-位移曲线Fig.2㊀Load-displacement curves of CFRP laminates repair parts1 0#0试样;2 0#1试样;3 1#试样;4 2#试样;5 3#试样;6 4#试样;7 5#试样;8 6#试样;9 7#试样;10 8#试样;11 9#试样㊀㊀从图2a 可以看出:打磨斜度为1 5时,3#试样的压缩性能与0#0试样接近,其原因是3#试样压缩截面上胶膜尺寸小,因此受压时补片结构承受的力较大,而胶膜承受的力较小;相较于1#㊁2#试样,3#试样压缩性能更好,其原因是3#试样受力沿着45ʎ方向发散,而补片结构为[90/0]8s 和编织方式只有受力方向与纤维方向一致时才能承力㊂从图2b 可以看出,打磨斜度为1 10时,4#㊁5#㊁6#试样的压缩性能均低于0#0试样,相比4#㊁6#试样,5#试样压缩性能较好㊂从图2c 可以看出,打磨斜度为1 15时,7#㊁8#㊁9#试样的压缩性能均低于0#0试样,相比7#㊁9#试样,8#试样的压缩性能较好,并且发生了二次断裂,其原因是补片周围第一次断裂后,应力没有及时的释放出去,而迅速的集中在了母材上部,导致二次断裂㊂2.2㊀影响CFRP 层合板修复件压缩性能的因素从表3可以看出,3#试样的压缩性能最好,P h达到98.6%,故对于4mm 厚CFRP 层合板,采用打磨斜度为1 5,打磨阶梯数为4,补片结构为[+45/-45]8s 的工艺进行修复效果最佳㊂表3㊀正交实验结果Tab.3㊀Orthogonal experimental results试样P /MPa P h /%K /(N㊃mm -1)K h /%00#265.85636701#187.570.54042971.71#215.581.03977970.62#210.379.14916387.23#262.098.656525100.04#193.872.94786684.95#238.589.75392095.76#202.576.24945987.77#188.871.04781584.88#227.585.64940287.69#197.874.54833685.8k 1229.3199.4215.2Pk 2211.6225.4200.6k 3204.7220.8229.8极差24.626.029.2k 1484894515346213Kk 2504155082852753k 3485175144048461极差192662876540㊀㊀各因素对P 的影响大小依次为补片结构㊁打磨阶梯数㊁打磨斜度;对于补片结构,最优结构为[+45/-45]8s ,其次为[0/90]8s ,编织效果最差,其原因是[+45/-45]8s 在竖直方向上能够承受的力最大,[0/90]8s 次之,编织结构因铺贴后层间连接33第4期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀户迎灿等.基于预浸料挖补修理法的轨道车辆用CFRP 结构修复研究较差,影响最终承力性能,效果最差;对于打磨阶梯数,2阶梯最优,但与4阶梯差别不大,0阶梯与2阶梯㊁4阶梯差距较大,原因是0阶梯的连接面积最小,所能承受和发散的力较小,一般阶梯数越多,完整纤维越多,连接面积越大,所能承受的力也越大;对于打磨斜度,1 5的斜度修复性能最佳,其次为1 10,而1 15的斜度修复性能最差,其原因是当打磨斜度为1 15时,修补区过于接近母材边缘,并且所能承受压力的完整纤维较少,故对性能有所影响㊂各因素对K的影响大小依次为补片结构㊁打磨阶梯数㊁打磨斜度;对于补片结构,最优结构为[+45/-45]8s,其次为编织结构,最差为[90/0]8s,其原因是K是抵抗弹性变形的能力,沿纤维方向上的K较大,垂直纤维方向上的K就较小,由于补片结构为[+45/-45]8s时,纤维各方向均能承受力,所以弹性变形量小,而[90/0]8s和编织结构竖直方向上的纤维较少,所以K较小;对于打磨阶梯数,4阶梯最优,但与2阶梯差别不大,0阶梯与2阶梯㊁4阶梯差距较大,原因是0阶梯打磨时,抛去损伤部位竖直方向上的完整纤维最少,所以K最小;对于打磨斜度,1 10的斜度稍优于1 5与1 15,1 5与1 15差别不大,原因是打磨斜度为1 15时,修补区过于接近母材边缘,并且所能承受压力的完整纤维较少,而打磨斜度为1 5时,铺贴难度大,容易造成性能下降㊂2.3㊀CFRP层合板修复件的压缩断裂特性CFRP层合板修复件的照片如图3所示㊂图3㊀CFRP层合板修复件的照片Fig.3㊀Photos of CFRP laminates repair parts ㊀㊀从图3可以看出,4#试样修复后出现脱落现象,裂纹总体上为横向裂纹,且出现在补片周围,其原因是0阶梯打磨扩大了4#试样的损伤面积,承力主要由胶膜承担,并且使用编织结构补片造成连接力不够,最终导致补片脱落,所以在CFRP 层合板修复中需避免使用0阶梯+编织补片的组合进行修复㊂㊀㊀从图4可以看出,在断裂前一刻,CFRP层合板补片周围均产生较大应变,1#㊁2#㊁3#试样最大变形区间在2%~8%,4#㊁5#㊁6#试样最大变形区间在8%~12%,7#㊁8#㊁9#试样最大变形区间在6%~ 11%㊂这是因为1#㊁2#㊁3#试样的打磨斜度为1 5,补片结构尺寸较小,胶膜承受的力较小,所以变形区间较小;4#㊁5#㊁6#试样的打磨斜度为1 10,补片结构尺寸适中,胶膜承受的力较大,所以变形区间较大;7#㊁8#㊁9#试样的打磨斜度为1 15,补片结构尺寸最大,胶膜承受的力最大,但是胶膜的强度较低,所以导致变形时断裂反而缩小了变形区间,此外由于打磨斜度为1 15时,修补结构过于靠近板材边缘,导致圆形应变区不完整㊂图4㊀CFRP层合板修复件断裂过程的DIC图像Fig.4㊀DIC images of fracture process of CFRP laminates repair parts ㊀㊀以8#试样为例,其裂纹扩展过程如图5所示㊂图5㊀8#试样裂纹扩展过程示意Fig.5㊀Schematic of crack propagation process of sample8#43㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年第46卷㊀㊀从图5可以看出,压缩过程中,CFRP 层合板修复件裂纹出现的过程极快,从完整试样到产生最初的裂纹仅需要0.04s,之后在较短时间内迅速扩展成为较长裂纹,因为一旦产生了裂纹,应力就会集中在裂纹尖端,促进裂纹快速延伸㊂3㊀结论a.采用预浸料法修复4mm 轨道车辆用CFRP 层合板时,较佳的工艺为打磨斜度1 5,打磨阶梯数4阶,补片结构[+45/-45]8s ㊂b.各因素对P 的影响大小依次为补片结构㊁打磨阶梯数㊁打磨斜度,各因素对K 的影响大小依次为补片结构㊁打磨阶梯数㊁打磨斜度㊂补片结构为[+45/-45]8s 时修补性能最好;打磨阶梯数为2阶梯时修补性能最好但与4阶梯差别不大;打磨斜度为1 5时修补性能最好㊂c.CFRP 层合板修复件压缩过程中,裂纹能在极短时间内出现,并在较短时间内迅速扩展;裂纹总体上为横向裂纹,且易出现在补片周围㊂d.在CFRP 层合板修复过程中,应避免使用0阶梯+编织补片的组合进行修复,同时应避免修补时斜度过大,使修补区过于接近补板边缘,造成修补效果不理想㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀梁凤飞,金迪,何勇.复合材料结构修理研究[J].中国胶黏剂,2019,28(5):57-61.[2]㊀彭鹤轩.碳纤维复合材料的应用和展望[J].现代盐化工,2018,45(5):24-25.[3]㊀耿甦,崔旭.复合材料修理技术研究[J].沈阳航空工业学院学报,2005(4):43-46.[4]㊀王露晨.复合材料层合板修理评估方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2020.[5]㊀赵渠森.预浸料技术及其设备[J].玻璃钢/复合材料,1994(1):31-36.[6]㊀KODAMA H,OKAZAKI S,JIANG Y F,et al.Thermal influ-ence on surface layer of carbon fiber reinforced plastic (CFRP)in grinding [J].Precision Engineering,2020,65:53-63.[7]㊀TIE Y,HOU Y L,LI C,et al.Optimization for maximizingthe impact-resistance of patch repaired CFRP laminates using asurrogate-based model [J].International Journal of MechanicalSciences,2020,172:105407.[8]㊀罗伟豪.碳纤维复合材料修复补强技术研究[D].长沙:湖南大学,2020.[9]㊀ASHRAFI M,SMITH B P,DEVASIA S,et al.Embedded re-sistive heating in composite scarf repairs[J].Journal of Com-posite Materials,2017,51(18):2575-2583.[10]HOSKINS D,PALARDY G.High-speed consolidation and re-pair of carbon fiber /epoxy laminates through ultrasonic vibra-tions:A feasibility study[J].Journal of Composite Materials,2020,54(20):2707-2721.[11]LI G Q,POURMOHAMADIAN N,CYGAN A,et al.Fast re-pair of laminated beams using UV curing composites [J ].Composite Structures,2003,60(1):73-81.[12]张宁,严刚.碳纳米管薄膜电加热固化复合材料胶接修补金属结构研究[J].复合材料科学与工程,2021,328(5):49-54.[13]陈浩,洪杰,于焕义,等.光固化复合材料预浸料补片的研制与应用[J].中国胶黏剂,2007(12):31-35.[14]American Society for Testing and Materials.Standard test meth-od for compressive residual strength properties of damaged poly-mer matrix composite plates:ASTM D7137/D7137M-17[S].Philadelphia:ASTM,2012:1-16.Repair of CFRP structure for rail vehicles based on prepregpatching repair methodHU Yingcan 1,ZHANG Lianhe 1,ZENG Yu 1,LI Lichen 2,JIN Kai 2(1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao 266000;2.Ocean University of China ,Qingdao 266000)Abstract :The carbon fiber prepreg combined with patching repair method was used to repair carbon fiber reinforced plastic(CFRP)composite Laminates for rail vehicles.The effects of grinding slope,grinding steps,repair patch structure and other pa-rameters on the compression properties of the repair parts were studied.And the fracture characteristics of the repaired parts were explored using a digital image related testing system.The results showed that the factors that affected the compressive strength of CFRP laminates repair parts were in descending order of patch structure,grinding steps and grinding slope while the factors thataffected the stiffness of CFRP laminates repair parts were also in descending order of patch structure grinding steps and grinding slope;the repair effect of CFRP laminates was fairly good when the grinding slope was 1 5,the grinding steps were 4steps and the patch structure was [+45/-45]8s ;and a combination of 0step and woven patches for repair should be avoided during the re-pair process of CFRP laminates,and the excessive grinding slope should be also aboided,which might cause the repair area to betoo close to the edge of the repair plate and result in unsatisfactory repair results.Key words :carbon fiber reinforced composites;prepreg;patching repair method;repair;compression performance53第4期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀户迎灿等.基于预浸料挖补修理法的轨道车辆用CFRP 结构修复研究。

阶梯形修理复合材料层合板拉伸性能研究李想;谢宗蕻;王绥安;闫群;梁春生【摘要】为获得不同参数对阶梯形修理结构拉伸力学性能的影响,本文开展了试验研究.针对铺层数目为8层的复合材料层合板,分别研究了阶梯数目为2个、4个和8个的无附加层的情况.另外针对4个阶梯的情况,研究了附加层数目的影响.作为对比,对相同修理区大小情况下的斜切形挖补修理结构也进行了测试.结果显示,对阶梯形修理结构,拉伸强度随阶梯数目的增加而增加,当阶梯数目由2个增加到8个时,修理接头的强度恢复率由36%增加到67%.通过引入附加层能够有效的提高修理结构的强度,但随着附加层的引入以及附加层数目的增加,修理结构强度的分散性变大.阶梯形修理和斜切形挖补修理的对比显示,相同修理面积的情况下,由于斜切形挖补修理能够提供更加均匀的胶膜应力分布,斜切形挖补的修理效率要高于阶梯形修理,相比4个阶梯的阶梯形修理,斜切形挖补修理强度能够提高25%.最后,根据修理接头表面各点的应力/应变分布规律,获得了拉伸载荷作用下修理接头的失效机理和失效过程.%To obtain the effect of different parameters on the tensile performance of stepped-lap repaired composite laminates,the repaired specimens were investigated experimentally. In terms of the laminates with 8 plies,stepped-lap repaired specimens with 2, 4 and 8 steps were tested, respectively. In addition, the stepped-lap joint with 4 steps was studied with different number of external plies. As a comparison, a tapered scarf repair with the same bonding area was also tested. Results showed that the tensile strength of stepped-lap repairs increased with increasing the number of steps. When the number of steps increased from 2 to 8, the strength recovery rate of the repaired joint increased from 36% to 67%.The introduction of external plies could also improve the efficiency of repairs. However,the dispersion of the repair strength increased with the increase of external plies. As the stress distribution in the adhesive film is more uniform for the tapered scarf joint,its repair strength is higher. Compared the stepped-lap repaired joint with the tapered scarf joint with the same bonding area, the repair efficiency of the latter is higher. Take the 4 stepped-lap repaired joint for example,its repair strength is increased by 25% compared with that of the tapered scarf joint. Finally,according to the stress/strain distribution on the surface of the repaired joints,the failure mechanism and failure process of the repaired joints under tensile load were obtained.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2018(050)005【总页数】8页(P75-82)【关键词】复合材料层合板;胶接修理;阶梯形修理;阶梯数目;附加层【作者】李想;谢宗蕻;王绥安;闫群;梁春生【作者单位】西北工业大学航天学院,西安710072;西北工业大学航天学院,西安710072;西北工业大学航天学院,西安710072;沈阳飞机设计研究所结构部,沈阳110000;中航工业复合材料技术中心复合材料零部件研究部,北京101300【正文语种】中文【中图分类】TB332复合材料和金属材料相比，具有比强度、比模量高，耐疲劳、抗腐蚀性好等优点，在航空、航天等领域得到了大量使用.飞机服役期间易受到冰雹、鸟撞等物体的冲击，为保证受损结构尽快恢复使用要求，需对复合材料结构进行维修.挖补胶接修理是一种常用的修理方式，具有恢复强度大，不影响修理表面气动外形等优点，在复合材料结构的修理中应用较为广泛.近年来，国内外对挖补修理进行了广泛的研究.Gunnion等[1]针对挖补修理，研究了挖补角度、胶层厚度、铺层厚度、附加层数目以及铺层顺序等对胶层应力的影响.Kumar等[2]对挖补角度低于5°的挖补修理接头进行了试验研究.挖补角度低于2°时，接头的破坏模式主要为纤维断裂和纤维拔出.挖补角度高于2°时，主要是胶膜的剪切失效.Campilho等[3]采用混合模式失效的粘聚力单元模拟胶层的失效，并针对挖补修理，研究了挖补角在2°～45°之间的修理效果，结果和试验数据一致性较好.纪朝辉等[4]等采用试验的方法研究斜坡比率对复合材料层合板挖补修理拉伸性能的影响.研究发现斜切形挖补修理中，斜坡比率为1:30的挖补修理试验件，抗拉强度最好，附加层数会提高试件的抗拉强度，2层附加层试件的拉伸强度较无附加层试件的拉伸强度高14.11%.刘国春等[5]讨论了复合材料挖补修理结构中附加层的优化问题，认为附加层的铺设对提高修补效果有积极的作用，但过多的附加层数容易增加修补缺陷.由于修理装置的限制，斜切形挖补修理往往难以实施，阶梯形挖补修理具有操作简单、加工耗时少等特点，使得其成为斜切形挖补修理的一种替代方法[6].Hart-Smith等[7]较早的建立了斜切形挖补修理和阶梯形挖补修理的解析模型.Bendemra等[6]研究了不同参数对胶层峰值应力的影响，结果显示，引入附加层和合理的设计接头参数均能降低接头端部和阶梯倒角等处的应力.乔玉等[8]采用渐进损伤分析方法预测了双阶梯形胶接接头的损伤扩展方式和连接效率，讨论了阶梯长度、附加层长度及厚度等对失效模式和连接效率的影响.朱书华等[9]建立了复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理构型的渐进损伤分析三维有限元模型，获得了挖补修理接头的拉伸强度.徐建新等[10]建立了复合材料层合板阶梯式挖补修理结构的三维有限元模型，并计算得到了修理结构胶层剥离应力和剪应力的分布情况，进而研究了铺层方向、胶层厚度、搭接长度和高度等修理设计参数对胶层应力分布的影响规律.Wang等[11]研究了压缩载荷情况下，阶梯倒角对接头失效行为的影响.Salih等[12]针对金属材料AA2027-T3铝合金搭接板，研究了阶梯数目对拉伸强度的影响.目前，国内外对复合材料的挖补修理主要集中在斜切形挖补修理上，对阶梯形挖补修理的研究并不多见，研究方法主要集中在理论分析上，缺乏试验数据支撑.本文采用试验的方法对拉伸载荷条件下复合材料层合板的阶梯形修理进行研究，研究阶梯数目和附加层数等对修理效果的影响，最后将阶梯形修理和斜切形挖补修理的修理效果进行对比.1 实验材料及方法1.1 试验件材料复合材料胶接修理可分为干法修理和湿法修理两大类[13].干法修理一般采用复合材料预浸料制作补片，并与粘结剂、母体二次固化形成胶接修理接头.而湿法修理则是将单向纤维或织布和一定比例的树脂进行混合后铺放到母体的修补区域，共固化形成胶接修理接头.采用干法即二次固化的方式对复合材料层合板进行阶梯形挖补修理.试验件母体和修理补片的材料均为Cytec公司生产的碳纤维增强树脂基复合材料T300/CYCOM970预浸料，单层名义厚度为0.25 mm.母体和补片分别采用热压罐条件固化和热补仪条件固化，固化曲线见图1.维修胶黏剂选择中温固化胶膜METLBOND 1515-4M，其固化工艺与母体和补片的固化工艺一致.在采用胶膜粘贴母体和补片时，固化条件为热补仪条件.母体、补片和胶膜的力学性能见表1，可看到，母体和补片尽管固化工艺有差异，但纵向和横向的弹性模量一致.固化条件对面内剪切模量有一定影响，采用热压罐固化的试件面内剪切模量较热补仪固化的试件高9.3%.图1 T300/CYCOM970碳纤维增强树脂基复合材料固化曲线Fig.1 The cure cycle of T300/CYCOM 970 prepreg material表1 T300/CYCOM970碳纤维复合材料和胶膜性能Tab.1 Mechanical properties of T300/CYCOM 970 and METLBOND 1515-4M film adhesive基本力学性能纵向弹性模量，E11/GPa横向弹性模量，E22/GPa面内剪切模量，G12/GPa泊松比，ν12母体58．258．24．00．07补片58．258．23．660．07METLBOND1515-4M胶膜3．570．371.2 试验件的制造复合材料母体和补片采用(0/45)2S的准各向同性铺层方式进行铺叠，抽真空后分别放入热压罐和热补仪条件下固化成型，固化成型后加工成待修理试验件.在修理之前，根据修理方式在母体上预制缺陷，并进行打磨.然后，对缺陷区进行修理设计，在采用阶梯形挖补修理时，先将缺陷区按指定阶梯数目和名义挖补角进行打磨，将待修理试验件用丙酮除去表面油污，然后铺上胶膜，将补片以对应的方法打磨后粘贴到修理区域，将修理好的试件用热补仪并按指定的工艺进行固化，热补仪采用抽真空的方式提供固化压力，本试验中该固化压力不低于0.075 MPa.试验件加工完成后按照HB 7224-95[14]进行质量检测，确保试件无明显制造缺陷. 试验选择2、4、8三种阶梯数目的修理接头进行研究，不同修理接头的缺陷区域大小相同.另外，针对4阶梯的情况设计了带有附加层的修理接头，附加层的数目分别为1层和2层.试验件形式见图2，母体厚度tp=2 mm，阶梯形修理中打磨区域对应名义挖补角为α=3°，损伤区大小ld=25 mm，附加层贴补长度lo=12.5mm，试验件宽度为w=25 mm，三种阶梯数目修理接头的台阶厚度分别为Δt=1 mm、0.5 mm以及0.25 mm.另外，作为对照，设计了1组含1个附加层的斜切形挖补修理试验件，试验件的修理区及损伤区大小与阶梯形修理试验件保持一致.最后，为评价修理结构强度和刚度的恢复率，参考ASTM D3039/D3039M[15]加工了复合材料未损伤试验件.阶梯形修理中，试验件各阶梯的高度和长度均相同，阶梯长度按下式计算：式中:tp为母板的厚度，N是阶梯的数目，α是名义挖补角.(a)2个阶梯，无附加层(c)4个阶梯，1个附加层(e)8个阶梯，无附加层(b)4个阶梯，无附加层(d)4个阶梯，2个附加层(f)斜切形挖补，1个附加层图2 阶梯形挖补修理试验件描述Fig.2 Geometry parameters of stepped-lap repair joints1.3 拉伸试验试验在拉伸试验机上进行，采用位移控制的方式均匀加载直至试件破坏，加载速率为2 mm/min.试验过程中通过目视观察试验件表面裂纹的萌生和扩展过程，试验后记录试验件的破坏模式.根据试验得到的最大载荷计算修理结构的拉伸强度，即定义修理效率为修理结构的恢复强度与未损伤结构的强度之比，即式中：为修理结构的拉伸强度，σult为未损伤结构的拉伸强度.在拉伸强度试验中，分别采用引伸计和应变片测量试验件修理区的有效刚度和修理区关键点的应变，从而对修理结构的刚度和修理过程中的变形情况进行评价，并以此为基础，通过分析试验过程中应变片的数据研究阶梯形胶接修理结构的破坏过程和破坏机理.由于试验件的挖补区域较大，一般的引伸计无法满足该跨度要求.为了对接头的刚度进行较为准确的测量，设计了一套引伸计安装装置，试验装置如图3所示.引伸计通过卡块和光轴固定到试验件上，加载过程中引伸计的两端角随卡块发生刚性位移，引伸计的测量数据即为两卡块之间修理结构的变形量.因此，修理结构的刚度为式中：Δσ为应力的变化量，Δδ为引伸计输出位移的变化量，L为引伸计两卡块之间的跨距，本试验过程中，该跨距为288 mm.图3 阶梯形拉伸试验装置Fig.3 Experimental setup of stepped-lap repaired joints定义修理后结构刚度的恢复率为修理后结构的刚度与未损伤结构的刚度之比，即式中:ER为修理结构的刚度，EL为未损伤母板的刚度.试验件修理区的应变使用动态应变仪DH-3817测量，测量点分布选择在非修理区、附加层搭接区及补片上的若干关键位置，具体位置及编号见图4.(a)无附加层(b) 1个附加层(c) 2个附加层图4 修理接头表面应变片粘贴方式Fig.4 Strain locations on the surface of the repaired joints2 试验结果与分析复合材料层合板阶梯形修理和挖补修理的试验结果见表 2，可看到，修理结构的刚度恢复率均在90%以上，强度恢复率大部分在60%以上，复合材料阶梯型修理具有较高的恢复强度.根据试验结果可分析阶梯数目、附加层数目等不同修理参数对修理效果的影响.根据表面应变变化情况可分析修理结构的破坏演变过程.2.1 失效强度和失效模式2.1.1 阶梯数目的影响不同阶梯数目阶梯形修理试验件的载荷/位移曲线见图 5.可发现，直至破坏，载荷/位移曲线均表现很好的线性.图 6给出了不同阶梯数目情况下挖补修理接头的强度测试结果.对比不同阶梯数目的修理效果可发现，修理试验件的强度恢复率随阶梯数目的增加而增加，当阶梯数目由2个增加到8个时，修理接头的强度恢复率由36%增加到67%.相比2个阶梯，4个阶梯和8个阶梯修理接头的拉伸强度分别提高51%和81%.由于增加阶梯数目，能够改善胶接界面应力分布的不均匀性，因此增加修理接头的阶梯数目对提高修理接头的强度具有积极的影响.表2 复合材料层合板阶梯形挖补修理接头拉伸试验结果Tab.2 Tensile test results of stepped-lap repaired joints试验件类型附加层数目ER/GPa离散系数/%λ/%σR/MPa离散系数/%η/%母体未损伤—39．404．83—380．85．20—2个阶梯—36．391．1092．36144．30．6937．88—36．730．5393．22217．82．4157．204个阶梯140．450．53102．66239．84．7262．96244．710．23113．48258．510．9067．898个阶梯—39．711．70100．79261．81．9768．75斜切形挖补145．404．48115．23298．96．9078．48图5 不同阶梯数目阶梯形修理载荷/位移曲线Fig.5 Load/displacement curves for adhesively bonded joints with different number of steps图6 不同阶梯数目情况下挖补修理接头的强度Fig.6 Comparison of experimental measurements of joint tensile strengths and number of steps(a) 2个阶梯(b) 4个阶梯(c) 8个阶梯图7 阶梯形修理接头拉伸失效破坏模式Fig.7 Damage modes of stepped lap joints with different step numbers不同阶梯数目修理接头的破坏模式见图 7，破坏模式主要是胶膜脱粘以及母体和补片的断裂.对2个阶梯，接头的有效承载面积为接头横截面积的一半，且由于接头承载的不对称性，引入较大的偏心弯矩，母体或者补片上的应力超过材料强度时，母体或者补片发生断裂.对4个阶梯的修理接头，最小承载面积约为接头横截面积的3/4，但由于胶膜脱粘，母体或者补片上的偏心弯矩增加，且当胶膜脱粘约1个阶梯的长度后，有效承载面积降为接头横截面积的一半，横截面积的减小以及偏心弯矩的共同作用，引起母体或者补片的断裂.而对8个阶梯的修理接头，胶膜在脱粘约2.5个阶梯的长度后，试验件母体发生断裂.接头的失效过程可描述为，在外载荷作用下，接头首先发生胶膜脱粘，随后在试验件母体或者补片上引起较大的偏心弯矩，从而在拉伸载荷和弯曲载荷的复合载荷作用下，母体和补片发生断裂.因此，阶梯数目对修理接头强度影响的机理主要体现在，增加阶梯数目能够减小胶膜上的峰值应力，进而延缓胶膜脱粘的时间，并减弱母体和补片上的偏心弯矩，并最终达到提高修理接头强度的目的.2.1.2 附加层的影响不同附加层数目阶梯形修理试验件的载荷/位移曲线见图 8，可看到，直至破坏，载荷/位移曲线基本保持一条直线，随着附加层数目增加，接头的刚度逐渐变大，但最终破坏时，不同附加层数目接头的变形量相差较小.图9给出了不同附加层数目情况下，接头的强度恢复率.可看到，复合材料损伤修理后试件的抗拉强度随着附加层数的增加而增加.1层附加层和2层附加层试件的强度恢复率分别比无附加层试件的强度恢复率高10.1%和18.7%.说明外部增加附加层对提高修理试验件的强度恢复率有积极的影响.另外，观察图 9各组试验件的标准偏差可见，随着附加层数的增加，修理试验件的离散系数增大，该结果与文献[5]的结论一致.图8 不同附加层数目阶梯形修理载荷/位移曲线Fig.8 Load/displacement curves for adhesively bonded joints with different number of external plies图9 附加层数目对阶梯形挖补修理失效强度的影响Fig.9 The effect of numberof external plies on the failure load in the stepped flush repair图10分别给出了1个附加层和2个附加层阶梯形修理试验件的破坏模式.试验件的破坏模式主要为胶层的脱粘以及母体的断裂，未出现补片的断裂.这主要是由于增加附加层后，试验件补片厚度增加，因此，相对母体的抗弯强度和抗拉强度增大，母体更容易发生破坏.不同附加层数目对阶梯形拉伸强度的影响主要体现在附加层的“分流”作用，在接头变形相同的情况下，胶膜上的应力接近，胶膜脱粘对应的接头变形量相同，即不同附加层数目接头失效时的变形量接近，但由于附加层增加了结构的刚度，因此在相同的变形情况下，接头的强度增加.2.1.3 斜切形挖补与阶梯形挖补修理效果对比斜切形挖补与阶梯形挖补的载荷/位移曲线见图 11，可看到，直至破坏，载荷/位移曲线也保持较好的线性关系.在载荷低于6kN左右的情况下，两种修理方式的载荷/位移曲线几乎重合.该现象表明，修理区的细节结构对结构的刚度影响较小.对比两种修理方式的极限载荷可发现，斜切形挖补修理的极限载荷要明显高于阶梯形挖补，说明修理区的挖补形状即细节结构对修理效果有显著的影响.图 12给出了阶梯形挖补和斜切形挖补的强度恢复率，斜切形挖补接头的强度恢复率较阶梯形挖补高25%左右，这主要是由于斜切形挖补能够产生更均匀的胶层应力，从而延缓了胶层的失效.(a) 1个附加层(b) 2个附加层图10 不同附加层数目阶梯形修理拉伸失效破坏模式Fig.10 Damage modes of stepped lap joints with different number of external plies图11 斜切形挖补与阶梯形挖补修理载荷/位移曲线Fig.11 Load/displacement curves for tapered flush and stepped lap joints图12 阶梯形挖补和斜切形挖补修理接头的拉伸强度Fig.12 Tensile strength of stepped-lap joints and taper flush joints斜切形挖补修理拉伸失效的破坏模式见图 13，破坏模式为整个横截面的断裂，仅在端部出现较小范围的胶膜脱粘，说明对于该类结构，胶膜的结合能力较好.图13 斜切形挖补修理拉伸失效破坏模式Fig.13 Damage modes of taperedflush joints2.2 应变分布和失效过程不同修理方案各关键点的应力/应变曲线见图14，图中应力为远场应力，应变片编号及其对应的位置参考图 4.观察各应力/应变曲线可看到，远场位置G1和G7的应力/应变保持为直线.另外观察可发现，在应力水平较低时，应力随着应变增加而增加，当应力达到一定值后，会出现部分应变突然增大或者减小的现象.以2个阶梯的应力/应变曲线为例，如图14(a)所示，当远场应力达到约36 MPa时，应变片G4的读数突然减小，而在应力达到约70 MPa时，应变片G5和G6的读数突然增大.这种现象主要是由胶膜的脱粘引起，结合图 4可知，当G4应变片附近的胶膜脱粘时，传递到补片上的载荷将减小，从而使得测量补片表面应变的G4的读数突然下降.类似地，当G5和G6附近的胶膜出现脱粘时，靠近补片上表面传递的载荷将增加，从而引起G5和G6读数的变大.对比图14(a)、(b)以及(e)可看到，随着阶梯数目的增加，胶膜脱粘对应的应力水平增大，并且脱粘时应变的波动越来越小，当阶梯数目达到8时，应变几乎无明显的波动现象.说明，阶梯数目的增加延缓了胶膜脱粘的发生，进而达到提高修理结构强度的目的.观察图14(b)、(c)以及(d)可看到，无附加层、1个附加层以及2个附加层的阶梯形修理，首次出现应变波动即胶膜脱粘的应力水平分别为100、125以及200 MPa，即随着附加层数目的增加，应变出现波动时对应的应力水平越来越高.需要说明的是，对于无附加层以及1个附加层的情况，胶膜脱粘主要出现在挖补区域，但对于2个附加层的情况，脱粘区域出现在外侧附加层与母体的胶接界面，即附加层的搭接区域内，在挖补区域并未出现.因此可进一步验证附加层对修理结构强度提升的机理，即引入附加层后，部分载荷通过附加层与母体之间的胶膜传递，从而使得挖补区胶膜的应力水平降低，从而起到了延缓胶膜脱粘的作用.由于斜切形挖补区胶膜的应力水平更为均匀，因此，在最终破坏之前，在挖补区并未发现应变波动即胶膜脱粘的现象.由于附加层和母体之间的胶膜应力要高于挖补区域，因此随着应力的增加，附加层和母体之间的胶膜首先出现脱粘(G3).脱粘后母体上的应力水平和挖补区胶膜的应力增加，最终导致修理接头沿母体的拉伸破坏.(a) 2个阶梯(无附加层)(c) 4个阶梯(1个附加层)(e) 8个阶梯(无附加层)(b) 4个阶梯(无附加层)(d) 4个阶梯(2个附加层)(f)斜切形挖补(1个附加层)图14 不同修理方式应变分布Fig.14 Strain distributions of different repaired joints3 结论本文对复合材料层合板的阶梯形修理进行了测试和讨论，得到了阶梯数目和附加层数对修理接头强度和刚度的影响，并与相同修理面积的斜切形挖补修理进行了对比.通过研究得到以下结论：1)对于复合材料层合板的阶梯形修理，修理结构的拉伸强度随阶梯数目的增加而增加，当阶梯数目由2个增加到8个时，修理接头的强度恢复率由36%增加到67%.2)通过引入附加层能较好的提高修理结构的强度恢复率，但随着附加层的引入以及附加层数目的增加，修理结构强度的离散性变大.3)阶梯形修理和斜切形挖补修理的对比显示，相同大小修理区的情况下，由于斜切形挖补修理能够提供更均匀的胶膜应力分布，使得斜切形挖补的强度恢复率要高于阶梯形修理.4)在拉伸载荷作用下，胶接修理接头表面各点的应变各不相同，根据关键点的应力/应变分布规律可对接头的失效机理和失效过程进行精细分析.参考文献[1] GUNNION A J, HERSZBERG I.Parametric study of scarf joints in composite structures[J].Composite Structures, 2006, 75(1-4), 364-376.DOI:10.1016/pstruct.2006.04.053.[2] KUMAR S B, SRIDHAR I, SIVASHANKER S, et al.Tensile failure of adhesively bonded CFRP composite scarf joints[J].Materials Science and Engineering B, 2006,132(1):113-120.DOI:10.1016/j.mseb.2006.02.046. 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航空复合材料结构维修技术研究摘要：航空领域复合材料用量不断增加，复合材料结构维修研究相对滞后。

本文概述并分析了航空复合材料结构维修技术的现状，并重点介绍了现阶段使用的航空复合材料结构维修技术：目视检查及无损检测定位损伤；综合考虑，确定维修区域和维修方法；维修后检测。

关键词：航空复合材料维修近年来，复合材料在航空中的研究主要集中于用先进复合材料制造承受大载荷的主承力结构。

随着飞机上复合材料用量的增加，对于复合材料制造、装配和维修的要求也相应提高。

其中满足功能性、经济性和安全性的维修技术对复合材料的应用起到了制约作用。

1 复合材料结构的维修复合材料结构维修的目的是在最短的时间和最少的花费条件下修复结构的完整性，得到和原来结构的刚度、强度相匹配的结构，同时保持增加的重量尽可能小。

相对于复合材料在飞机上的应用来说，复合材料维修技术的相关研究、相关技术标准或规范的建立工作是相对滞后的。

复合材料的特性决定了其在冲击后容易产生裂纹和分层，因此大量复合材料部件在不可避免地会发生结构缺陷或损伤，必须进行及时维修以减少生产中部件的报废率，并提高部件使用完好率，在保证安全的同时降低复合材料的使用成本。

因此，复合材料构件维修的重要性不言而喻。

相对于金属结构的损伤而言，复合材料结构的损伤往往是同一构件的经常性或周期性损伤，而且复合材料的损伤检查和检测需要经过特殊培训的特殊人员进行，复合材料维修需要先进的维修和检测设备，所以复合材料的维修成本更高；复合材料结构维修技术相对滞后，维修过程和材料体系尚不完善，复合材料修理完成后的质量难以检测，因此复合材料的标准修理方法具有局限性。

出于对复合材料结构维修成本、可操作性、安全性等因素的综合考虑，目前实际在进行复合材料结构维修时通常遵循以下思路：首先先评估可能对复合材料造成损伤的因素对复合材料的影响，确定损伤的程度、范围；然后确定维修区域和维修方法；最后对维修后的复合材料进行检测。

2 复合材料损伤的确定复合材料的损伤大多由以下原因产生：固化过程中产生的空隙分层或尺寸的偏离；飞机或零部件在地面状态受到由于操作失误而引起的损伤，常见的如工具掉落冲击损伤；由于环境引起的损伤。