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1、 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Aerospace Engineering Research on Damage Assessment and Repair of Composite Sandwich Structure with Foam Core A Thesis in Flight Vehicle Design by Kong Xianghong Advised by Prof. Wang Zhijin Submitted in Partial Fulfi
2、llment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Dec, 2011 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空
3、航天大学硕士学位论文 I 摘 要 复合材料结构的强度分析和修理是复合材料结构设计的重要组成部分。复合材料泡沫夹层结构应用广泛，对其进行强度分析、损伤评估和修理方法的研究具有重要意义。 本文以复合材料泡沫夹层板为研究对象，采用有限元渐进损伤分析方法研究无损伤、含损伤、修理后的复合材料泡沫夹层板在单向压缩载荷下的强度、破坏过程等。针对参数化建模、渐进损伤分析方法、刚度折减方法，编写了相应的 Python 程序，使有限元渐进损伤分析能够准确、高效地执行。 无损伤复合材料泡沫夹层板的强度分析采用了 Hill-Tsai、Hoffman、Tsai-Wu 等强度理论，经验证，三种强度理论对破坏的预测相近，其
4、中 Hill-Tsai 强度理论应用较广泛，因此在含损伤及修理后的复合材料泡沫夹层板的剩余强度分析中采用 Hill-Tsai 强度理论。 复合材料泡沫夹层板的修理采用了贴补、挖补两种修补方法，其中挖补又采用了斜挖填补和阶梯填补两种方式。在贴补修理中采用的补片直径为损伤孔径的 2.5 倍、3 倍两种尺寸，补片厚度为母板厚度的一半；挖补修理中斜挖修补采用的挖补角为 4.6 ，阶梯修补中采用阶梯长度3.33mm、阶梯高度 0.2mm 和阶梯长度 15mm、阶梯高度 0.4mm 两种参数。 通过对复合材料泡沫夹层板的强度分析，得到了无损伤、含损伤夹层板的强度数据，可用于损伤评估；通过对复合材料泡沫夹层
5、板的修理后强度分析，可为夹层板的修理方案的制定提供依据。 关键字：关键字：复合材料泡沫夹层板，强度，渐进损伤，参数化建模，贴补，挖补，损伤评估 复合材料泡沫夹层结构的损伤评估和修理研究 II ABSTRACT Strength analysis and repair of composite structure are important parts of composite structure design. Composite sandwich structure with foam core is widely used. It is highly important and signi
6、ficant to carry out strength analysis, damage assessment and repair method research on composite sandwich structure with foam core. Composite sandwich panel with foam core is the research object in this paper. Finite element incremental damage analysis of the sandwich panel scatheless and damaged is
7、 used in the strength analysis and failure process research under uniaxial compression load. Some Python programs are compiled for parametric modeling, incremental damage analysis and stiffness reduction method. Consequently, the finite element incremental damage analysis can be carried out accurate
8、ly and efficiently. Strength analysis of non-damaged composite sandwich panel with foam core adopts three strength theories, such as Hill-Tsai, Hoffman and Tsai-Wu. The damage prediction results of the three strength theories are similar. As Hill-Tsai strength theory is widely used, it is used in re
9、sidual strength analysis of damaged and repaired composite sandwich panels with foam core. Patch repair, taper sanded repair and step sanded repair are used in repair of composite sandwich panel with foam core. The diameters of the patches are 2.5 and 3 times of the diameter of damage area, and the
10、thickness of the patches is 0.4mm. The oblique angle of taper sanded repair is 4.6 . There are two kinds of step sanded repair. Ones step length is 3.33mm and its step height is 0.2mm. The others step length is 15mm and its step height is 0.4mm. Strength data of non-damaged and damaged composite san
11、dwich panels with foam core are obtained by strength analyses. These data can be used for damage assessment. The strength analyses of repaired composite sandwich panels provide reference for repair scheme. Keywords: Composite sandwich panel with foam core, strength, incremental damage, parametric mo
12、deling, patch repair, sanded repair, damage assessment 南京航空航天大学硕士学位论文 III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 复合材料泡沫夹层结构概述 . 1 1.1.1 复合材料泡沫夹层结构简介 . 1 1.1.2 复合材料泡沫夹层结构的特点 . 2 1.1.3 复合材料泡沫夹层结构的应用 . 3 1.2 课题研究现状. 4 1.2.1 夹层结构的损伤评估 . 4 1.2.2 夹层结构的修理方法 . 5 1.3 课题研究内容、方法及意义 . 7 第二章 强度理论及渐进损伤分析方法 . 8 2.1 复合材料强度理论 . 8 2.1.1 Hill-Tsai 强度理论 . 8 2.1.2 Tsai-Wu 张量理论 . 9 2.2 渐进损伤分
