[发明专利]一种用于大面积金属结构复材补强的纤维铺层和丢层方法

说明书

本发明属于飞机结构修理技术领域，涉及一种用于大面积金属结构复材补强的纤维铺层和丢层方法；本发明通过明确金属结构损伤部位的主传力方向及主传力方向上的截面刚度和截面强度；确定损伤部位材料性能参数和厚度参数，确定复合材料补片的单向带性能参数；利用MATLAB编制铺层设计程序，完成复合材料补片铺层数设计，进而完成铺层顺序的确定，对设计完成的复合材料补片进行丢层区设计，降低了补片与金属结构之间的剥离应力，实现了补片铺层的快速优化设计，达到了付出最小的补片重量代价实现补强的效果。

技术领域

本发明属于飞机结构修理技术领域，涉及一种用于大面积金属结构复材补强的纤维铺层和丢层方法。

背景技术

飞机结构多采用金属结构，在长年的使用中，结构受疲劳载荷和环境的影响，飞机难免引起裂纹和腐蚀，影响飞行安全。因此，必须进行对损伤的结构进行修理和更换，尽量恢复飞机结构的使用功能和结构完整性。

传统的飞机结构修理以铆接或螺接金属补片等机械修理方法为主。此类修理方法在修补时需要对构件重新开孔，这反而削弱了零件的强度、刚度，并且产生了密封问题。当结构受载时，新开孔的周围应力分布不均匀，形成应力集中，影响结构及补片的疲劳性能。

复合材料具有优异的综合性能，比强度、比刚度高，可设计性强，疲劳性能和耐腐蚀性能好。随着复合材料在飞机上的大量应用，使用复合材料补片胶接修理金属结构的方法也开始得到应用。经过近30年的发展，复合材料修理金属结构这项技术在国外已经有了很大的发展，很多国家都进行了军机和民用飞机的复合材料的修理。国内在复合材料修理金属结构方面的研究也有很大的进步。很多院校和研究所都将这项技术列为发展的一项课题。国内也相应地进行过复合材料修理金属结构的修理工作。当前复合材料修理金属的技术主要应用在损伤区域较小、非主传力部位，缺少一种可应用于关键传力金属结构的大面积复材修理铺层方法。

研究人员研究了铺层厚度和不同铺层角度对修补效果的影响分析，但是未形成铺层设计方法，工程实践中普遍采用准各项同性铺层进行修补。研究人员也对补片边缘的斜削角度进行了研究，证明了胶接界面剥离应力与斜削角度的关系，但未给出一种丢层方法。

发明内容

本发明的目的：

形成一种用复合材料修理飞机金属结构大面积损伤的补片铺层和丢层方法，用尽量低的重量成本达到修补效果，并降低胶接界面剥离应力。

本发明的技术方案：一种用于大面积金属结构复材补强的纤维铺层和丢层方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：明确金属结构损伤部位的主传力方向及主传力方向上的截面刚度和截面强度；

步骤2：确定损伤部位材料性能参数和厚度参数，确定复合材料补片的单向带性能参数；

步骤3：根据步骤2得到的参数，利用MATLAB编制铺层设计程序，完成复合材料补片铺层数设计，进而完成铺层顺序的确定，。

步骤4：对设计完成的复合材料补片进行丢层区设计。

所述复合材料补片铺层数设计规则：

a)主传力方向上补片刚度应满足E_xnhEt,其中E_x为主传力方向等效模量，n为铺层数，h为单层厚度，E为金属材料的弹性模量，t为金属结构厚度；

b)次传力方向上补片满足σ_ynhσ_bt,其中σ_y为补片次传力方向的等效强度，n为铺层数，h为单层厚度，σ_b为金属材料的极限强度，t为金属结构厚度；

c)铺层角度用0°、±45°和90°四种铺层，且铺层应满足对称均衡条件；

d)±45°铺层比例不小于50％。