● 摘要
机体结构复合材料化程度是飞机先进性的重要标志，为了延长飞机结构的使用寿命，复合材料结构的维修技术呈现日益重要的趋势，其中，胶接修理技术具有很大的优势。然而由于胶接工艺复杂，复合材料胶接制品常会出现孔隙、脱粘等缺陷；在服役过程中，结构会遭受跑道碎石、冰雹、鸟撞等类型的低速冲击，造成结构产生复杂的内外结合的各类损伤。而制造缺陷和冲击损伤均会严重降低复合材料结构的强度。因此，研究复合材料胶接修理结构的损伤后结构的承载能力也就是复合材料胶接修理结构损伤容限特性，对提高飞机安全性和降低维护成本具有非常重要的理论及实际意义。围绕目标，论文在以下几个方面开展了研究工作：
(1)针对飞机复合材料胶接修理结构的损伤容限评估方法开展研究，参考飞机复合材料结构损伤容限设计分析方法，并结合国外老龄化飞机规范文件，总结归纳了复合材料胶接修理结构的损伤容限评估流程。
(2)研究复合材料胶接修理结构的基本力学性能，包括拉伸性能和压缩性能。将拉伸载荷作用下的胶接修理结构简化为二维胶接接头进行胶接区域基本力学性能分析，而压缩载荷作用下的胶接修理结构，会出现失稳模态，因此仍采用三维胶接修理结构进行分析。研究复合材料胶接接头的拉伸失效机理，发现胶接接头的失效模式随搭接长度及胶层强度等相关参数的变化而变化，胶接接头失效模式包括胶层失效，胶层与复合材料之间的界面失效，复合材料失效；胶层与复合材料混合失效。研究胶接修理结构的压缩失效机理，发现贴补修理结构的破坏模式为复合材料母板首层剥离，补片剥离，孔边压坏；边界约束较弱的挖补修理结构修理区域刚度大，修理区域不易破坏，夹持区域首先发生破坏；边界条件约束较强的挖补修理结构沿修理区域中部折断，补片与母板发生分层。
(3)通过预置脱粘缺陷研究胶接接头和胶接修理结构的拉伸性能和压缩性能的对缺陷的敏感性。位于1/4搭接长度处的缺陷对单搭接胶接接头拉伸强度影响最大；位于搭接区域边缘的缺陷对斜搭接胶接接头的拉伸强度影响最大；脱粘缺陷位于胶接修理结构损伤扩展路径上会加速结构的失效。
(4)通过试验对挖补修理结构的抗冲击损伤性能进行了研究，分析了各损伤结果、冲击能量及耗散能量、冲击力等之间的关系，研究了不同胶接修理方法的抗冲击性能。与完好板相比，冲击后的预浸料修理板的纤维损伤较少，但是分层面积较大；冲击后的湿铺贴修理板的基体开裂较严重，其分层面积比完好板和预浸料修理板的分层面积小。预浸料修理板的冲击后压缩性能强于完好板，湿铺贴修理比完好板弱。
(5)使用渐进损伤分析方法建立胶接接头和胶接修理结构的三维有限元模型，分析其承载能力及失效机理，并在渐进损伤模型中引入脱粘缺陷，模拟分析脱粘缺陷对失效机理的影响。本文还建立了简化的挖补修理结构的冲击损伤模型及冲击后压缩模型。与试验结果进行对比后发现，计算模型可以对胶接接头和修理结构的失效强度进行模拟，并细致地分析了损伤机制，建立了损伤变量与剩余强度的关系，分析复合材料胶接修理结构的损伤容限特性，为复合材料胶接修理结构的损伤容限设计提供指导。