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飞机结构在长期使用过程中，疲劳和应力腐蚀等因素会导致裂纹产生，威胁飞行安全。复合材料补片因其轻质、高强、可设计性强等优点，成为修复飞机结构的重要材料。然而，传统的复合材料补片设计主要关注外形和铺层，缺乏对内部纤维布局的优化，限制了补片性能的进一步提升。目前，国内外学者对复合材料补片的设计和性能进行了大量研究，主要集中在补片形状、尺寸、边缘设计和铺层设计等方面。这些研究为补片设计提供了理论指导，但缺乏对内部纤维适应性驱动的设计方法。此外，传统的复合材料制造工艺限制了内部结构的精细设计，难以实现个性化修复。
近日，《Thin-Walled Structures》期刊发表了一篇由南京航空航天大学机电学院的研究团队完成的有关3D打印连续纤维增强复合材料补片力学性能的研究成果。该研究提出了一种基于最大正应力的纤维分布和方向设计方法，并通过仿真和实验验证了其有效性，有效提高了复合材料补片的强度，为飞机结构修复提供了新的思路。论文标题为“A design method for continuous fiber-reinforced composite patches”。论文通讯作者为戴宁教授，第一作者为博士生张天驰。
该研究采用了一种基于最大正应力原理的补片设计方法，建立了控制纤维方向和分布密度的模型，并提出了四种不同的纤维布局方案：纤维沿加载方向均匀分布（P-US）、纤维沿加载方向分布密度根据主应力值变化（P-DA）、纤维沿主应力方向均匀分布（P-DC） 和纤维沿主应力方向分布密度根据主应力值变化（P-CS）。
图1 拉伸试验：不同的试样设计方案
图2 补片方向。
图3 连续纤维增强复合材料补片
研究通过代表性体积元(RVE) 验证了仿真模型的可靠性。此外，利用3D打印技术制备了不同纤维布局的复合材料补片，并通过拉伸试验测试了补片的力学性能，与仿真结果进行对比分析，验证了该设计方法的有效性。
图4 可靠性验证（a）轴向拉伸；（b） 轴向压缩；（c） 横向拉伸；（d） 横向压缩（参数退化）；（e） 剪切非线性。（f）横向压缩（线性能量释放）
研究结果表明，拉伸-剪切耦合效应会改变结构的力学响应和最大应力方向，导致复合材料的力学性能与各向同性材料存在显著差异。仅改变纤维方向对补片强度的提升有限，甚至可能降低强度，而改变纤维分布密度可以有效地提高补片强度，结合纤维方向和分布密度的优化，可以获得最佳的补片强度提升效果。例如，P-CS 补片相比于传统单向补片，强度提升了 10.50%。
图5 贴片应力分量分析。（a） 主应力轨迹的模拟图。（b） 应力分析。（c） 角度的关系。
图6 主应力角的回归响应。（a） 复合材料。（b） 各向同性材料。（c） 两者的比较（wf=50 wt.%）。
该研究提出了一种基于最大正应力的纤维分布和方向设计方法，并通过仿真和实验验证了其有效性。该研究结果表明，该方法能够有效提高复合材料补片的强度，为飞机结构修复提供了新的思路。
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