復(fù)合材料膠接修理的濕-熱-力耦合瞬時(shí)響應(yīng)分析方法.pdf

1、飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中出現(xiàn)損傷或缺陷時(shí)必須需要進(jìn)行修理,以恢復(fù)結(jié)構(gòu)性能,達(dá)到適航要求,保證飛行安全。復(fù)合材料膠接修理是應(yīng)用最廣泛的修理技術(shù),但在飛機(jī)服役過程中,修理區(qū)域會(huì)由于經(jīng)受吸濕、溫度和載荷的聯(lián)合作用而產(chǎn)生性能退化。因此需要研究復(fù)合材料膠接修理后結(jié)構(gòu)在濕-熱-力耦合環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng),保證修理后結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境下的使用安全。本文主要研究了復(fù)合材料膠接修理中的瞬時(shí)濕-熱-力耦合分析方法,具體內(nèi)容如下:
　　(1)基于應(yīng)變的濕擴(kuò)

2、散分析方程的建立。對(duì)復(fù)合材料層壓板在吸濕過程中橫向應(yīng)變的研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)變與時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系。這一現(xiàn)象與復(fù)合材料內(nèi)吸濕量與時(shí)間的關(guān)系相類似,據(jù)此,假設(shè)復(fù)合材料層壓板內(nèi)的濕熱應(yīng)變也符合Fick定律,在濕擴(kuò)散的Fick方程中引入應(yīng)變耦合系數(shù)與應(yīng)變耦合項(xiàng),建立了基于應(yīng)變的濕擴(kuò)散方程,并進(jìn)一步將該方程推廣到多材料體系中。本文建立的基于應(yīng)變的濕擴(kuò)散分析方程能夠準(zhǔn)確描述復(fù)合材料層壓板及復(fù)合材料修理試樣吸濕時(shí)表現(xiàn)出的Non-Fickian行為以及濕

3、擴(kuò)散與應(yīng)變之間的相互作用,利用此方程分析得到的復(fù)合材料層壓板及復(fù)合材料修理試樣內(nèi)的吸濕量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,明顯改善了Fick方程在計(jì)算復(fù)合材料濕擴(kuò)散的初始階段過高估計(jì)試樣內(nèi)吸濕量的問題。
　　(2)Tsai方法的改進(jìn)。通常采用Tsai方法分析復(fù)合材料受熱和吸濕后材料性能的退化。Tsai方法定義的無量綱系數(shù)中的分子、分母都與材料的具體吸濕量有關(guān),分析時(shí)很難區(qū)分出是溫度還是濕度引起了相應(yīng)的材料性能退化。本文將材料常溫干態(tài)下的玻璃轉(zhuǎn)化

4、溫度作為基準(zhǔn)值,區(qū)分于與材料吸濕量相關(guān)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。改進(jìn)后的Tsai方法更突出了吸濕對(duì)于材料性能退化的作用,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。
　　(3)瞬時(shí)濕-熱-力耦合分析的有限元方法的構(gòu)建。溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)主要從兩個(gè)方面影響應(yīng)力場(chǎng):一是材料濕熱膨脹會(huì)產(chǎn)生濕熱應(yīng)力;二是材料性能與溫度、濕度相關(guān)。分析中,將時(shí)間作為重要變量研究濕-熱-力耦合過程中的瞬時(shí)狀態(tài),從溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的控制方程推導(dǎo)出耦合的單元?jiǎng)偠染仃?于單元節(jié)點(diǎn)載荷上疊加熱載荷