挖补修理有限元研究方法在最近两年里取得了极大的发展，其中三维有限元仿真研究技术已经超越过去简单的二维研究挖补修理技术成为高科技主流导向。材料的失效判断也从过去简单判断破坏与否的蔡-吴、蔡-希尔失效判据发展完善为目前常采用的能够区分材料多种不同失效模式（纤维断裂、基体开裂、纤维-基体剪切破坏和分层破坏）的Hashin失效判断。

　　非织造复合材料具有质量轻、比强度高、比模量高以及良好的抗疲劳损伤等优良特性，不仅能有效的提高飞机及其装备的使用效率和寿命，同时还在隐身、智能、结构等方面具有巨大的潜力。最新的大型客机，如波音787的非织造复合材料用量已经达到50%；空客A350XWB的非织造复合材料用量将会达到52%；现代军用直升机和小型飞机的机体为了减重，将采用全复合材料结构。

　　随着航空制造技术的发展，非织造复合材料在飞机上的应用比例还将继续增加，但非织造复合材料普遍存在层间强度低、横向性能差、抗压能力弱等缺点，使飞机非常容易发生以冲击损伤为主的各种结构破坏，如裂纹、缺口、分层和破孔等，这将明显降低非织造复合材料的静、动态载荷性能，严重时会直接威胁飞机的飞行安全。所以，开展飞机用非织造复合材料修理研究工作，提高复合材料修理能力，在保证安全的同时减少报废率，提高使用完好率，降低复合材料的使用成本刻不容缓。

　　挖补修理可保持原有结构气动外形

　　胶接修理作为修理航空用非织造复合材料损伤的一种主要手段，可分为贴补修理和挖补修理。挖补修理因其修理后强度高，能够保持原有结构气动外形等优点，在飞机结构的修理中开始被广泛应用。

　　根据修理所用材料的不同，复合材料挖补修理分为预浸料修理、预固化修理和湿铺层修理3种修理工艺。需要注意的是，除非在修理时确有需要，否则很少采用预固化补片的工艺来修理。这是因为采用预固化补片修理虽然省去了铺贴修理层的工序、节省了时间，但是在胶接时，胶接面处容易出现胶层厚度不一致、胶层中以及胶接面出现孔隙等问题，严重影响胶接质量以及修理结构的强度。

　　6°为压缩载荷条件下最佳挖补角

　　复合材料挖补修理的研究，根据方法可以分为试验研究和数值研究。研究的对象包括修理结构的应力分布、胶层的破坏模式，以及修理后强度。挖补修理层合板的最终强度与挖补角、胶层厚度、挖孔直径以及层合板的铺层顺序等多个因素有关。为了研究不同因素对挖补修理的影响，可以改变挖补修理层合板不同的参数，得到修理后强度与参数的关系。综合考虑各因素的影响程度和范围，能够对挖补修理方法进行最优化设计，提高修理效率和修理强度。

　　挖补修理有限元研究方法在最近2年里取得了极大的发展，其中三维有限元仿真研究技术已经超越过去简单的二维研究挖补修理技术成为高科技主流导向。材料的失效判断也从过去简单判断破坏与否的蔡-吴、蔡-希尔失效判据发展完善为目前常采用的能够区分材料多种不同失效模式（纤维断裂、基体开裂、纤维-基体剪切破坏和分层破坏）的Hashin失效判据。目前，修理结构有限元仿真研究的最常用方法为扩展损伤方法。

　　德国下莱茵理工学院非织造专业相关研究者Edson博士表示，通过扩展损伤有限元方法，可以直观、清晰地得到修理层合板各层的损伤位置、损伤类型以及损伤扩展的情况，载荷增加过程中胶层的损伤扩展情况。

　　总结试验和数值研究的结果，发现挖补修理层合板在受载作用下，初始裂纹损伤会萌生在母板、胶层以及补片界面结合强度较弱的部位。随着载荷不断增大，在一个相对小的局部区域，即界面结合力较弱的区域，裂纹汇合成一条主裂纹；当载荷接近某一临界载荷时，主裂纹的扩展占据了主导位置，并快速沿胶接面扩展，导致修理结构最终失效。随着挖补角度的增大，胶层的失效载荷在不断减少，而结构的破坏载荷却在不断增加。4°时胶层的失效载荷与结构的破坏载荷相同，此时的角度即为拉伸载荷下挖补修理的最佳挖补角。通过研究，同样也可以得到压缩载荷下胶层失效和结构破坏载荷随挖补角变化的趋势，并得到压缩载荷下挖补修理的最佳挖补角6°。

　　准确估计修理后结构寿命成关键难题

　　不可忽略的是，尽管航空用非织造复合材料挖补修理的应用和研究已经开展了多年，并取得了很大的进步，但是修理还存在着很多亟待解决的问题。Edson博士指出，三维有限元仿真研究技术虽然修理后的静强度恢复率较高，但是挖补修理抗疲劳载荷能力差，这使得目前国内外飞机修理的应用范围局限在非承力结构或者应力水平很低的结构。准确估计修理后结构寿命是突破挖补修理应用局限性的关键，因此我们必须搞清挖补修理疲劳损伤的机理，提高修理结构抗疲劳能力。修理结构的湿热问题同样是目前限制挖补修理发展的重要技术壁垒。由于复合材料和胶粘剂的热膨胀系数不同，在固化过程中修理结构会出现不同程度的残余热应力，加上胶层中不可避免存在的孔隙，这些都使修理结构的湿热问题对修理质量及修理后强度造成严重影响。此外，不同成分胶粘剂的力学性能差别很大。维修时，不同胶接物结构的不同，使其受载情况对胶粘剂的力学性能的要求也就不同。如何选择合适的胶粘剂匹配相应的胶接物、受载情况，成为未来发展挖补修理技术的研究重点。□ 沈明（安徽工程大学副教授）