復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)研究進(jìn)展
時(shí)間:2006-07-27
梁重云 曾竟成 肖加余 楊孚標(biāo) 杜 剛( 國(guó)防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院材料工程與應(yīng)用化學(xué)系 長(zhǎng)沙 410073 )
1 引言
復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高,可設(shè)計(jì)性強(qiáng),良好的抗疲勞、抗腐蝕性能和尺寸穩(wěn)定性,在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。飛機(jī)在服役期間受損是難免的,需要適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)。20世紀(jì)70年代以來(lái),澳大利亞皇家空軍航空研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了一種新的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù),即采用復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)飛機(jī)受損的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行膠接修補(bǔ),已成功地應(yīng)用于一些軍用和民用飛機(jī)的金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
2 復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)的優(yōu)越性
作為一種新的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)技術(shù),與傳統(tǒng)的機(jī)械修補(bǔ)方法(鉚接、焊接、螺接)相比,復(fù)合材料膠接修補(bǔ)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。(1)復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高,其補(bǔ)片厚度約為鋁合金補(bǔ)片的1/3～1/2,就能達(dá)到同樣的修補(bǔ)效果,因此膠接修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)增重小。(2)復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng),可根據(jù)使用要求和受力狀況進(jìn)行材料的鋪層設(shè)計(jì)。(3)復(fù)合材料有多種成形工藝,便于大面積整體成形,制成大型結(jié)構(gòu)件和表面形狀復(fù)雜的零部件,可采用膠接共固化工藝進(jìn)行原位修補(bǔ)。對(duì)復(fù)雜曲面,復(fù)合材料補(bǔ)片修補(bǔ)比傳統(tǒng)的機(jī)械修補(bǔ)更容易實(shí)施,而且修補(bǔ)后補(bǔ)片與母體粘合緊密,基本保持原有結(jié)構(gòu)外形,容易滿足復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)要求。(4)復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)能提高損傷區(qū)的剛度、靜強(qiáng)度,減小裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子,貼補(bǔ)膠接修補(bǔ)不需要對(duì)原結(jié)構(gòu)開(kāi)孔,不會(huì)形成新的應(yīng)力集中源,有利于提高結(jié)構(gòu)的損傷容限和抗疲勞性能[1]。(5)修補(bǔ)時(shí)間短、成本低。(6)外場(chǎng)修補(bǔ)所需設(shè)備簡(jiǎn)單,主要有修補(bǔ)工具包、修補(bǔ)儀和便攜式ＮＤＴ設(shè)備等。
3 復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)的關(guān)鍵技術(shù)
針對(duì)復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)而言,膠粘劑的選擇、補(bǔ)片材料與被修金屬構(gòu)件的匹配性、被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的表面處理和修補(bǔ)固化工藝及施工工藝保障等是關(guān)鍵技術(shù)。
3.1 膠粘劑的選擇
膠粘劑是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)片止裂作用的中間媒介,因此對(duì)膠粘劑的選擇至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的實(shí)際承力水平和使用環(huán)境選擇既具有良好的抗疲勞性能,又具有較高的剪切、剝離強(qiáng)度,良好的耐介質(zhì)和耐濕熱老化性能的膠粘劑。復(fù)合材料膠接修補(bǔ)所用的膠粘劑主要有兩大類(lèi):一類(lèi)是雙組分膠粘劑,主要用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的室溫固化修補(bǔ)(少數(shù)雙組分膠粘劑可用于熱膠接固化修補(bǔ));另一類(lèi)是膜狀膠粘劑(膠膜),用于熱膠接固化修補(bǔ)。國(guó)外在復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)中采用的膠粘劑多屬于環(huán)氧體系,如ＦＭ—73、ＦＭ○Ｒ300—2、ＡＦ—126等。這類(lèi)膠粘劑具有很高的韌性和剪切強(qiáng)度,較高的剝離強(qiáng)度,一般在100℃～120℃固化,屬于中溫固化體系。國(guó)內(nèi)類(lèi)似的膠粘劑有Ｊ—88、Ｊ—47和Ｊ—159等。
3.2 復(fù)合材料補(bǔ)片與被修金屬構(gòu)件的匹配性
復(fù)合材料補(bǔ)片應(yīng)在盡量低的溫度下固化,并能與膠粘劑的固化溫度一致;補(bǔ)片熱膨脹系數(shù)應(yīng)與母體材料的相匹配。國(guó)外大多采用硼/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)損傷金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行膠接修補(bǔ)。因?yàn)榕?環(huán)氧復(fù)合材料強(qiáng)度、彈性模量高,熱膨脹系數(shù)相對(duì)較高,與金屬材料的熱匹配性能好,有利于降低膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的殘余熱應(yīng)力,導(dǎo)電性低,便于使用渦流無(wú)損檢測(cè),與金屬接觸后,電化學(xué)腐蝕性能較碳/環(huán)氧復(fù)合材料好。但硼纖維成本較高,加工較困難,國(guó)內(nèi)多采用碳/環(huán)氧補(bǔ)片及玻璃/環(huán)氧補(bǔ)片,價(jià)格相對(duì)便宜。碳/環(huán)氧復(fù)合材料在航空工業(yè)中應(yīng)用較廣,易于操作,可制成曲率半徑較大的零部件,適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的修補(bǔ),但其強(qiáng)度和剛度不如硼/環(huán)氧復(fù)合材料與金屬接觸易發(fā)生電化學(xué)腐蝕
3.3 被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的表面處理
被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的表面處理是指膠接之前,通過(guò)機(jī)械方法除去結(jié)構(gòu)表面影響結(jié)合力的氧化層、污染物增加機(jī)械結(jié)合面;或通過(guò)化學(xué)方法在結(jié)構(gòu)表面有控制地沉積一層均勻的特種氧化物或在膠接面形成化學(xué)鍵,使經(jīng)過(guò)處理的結(jié)構(gòu)表面具有高的表面能,從而獲得較高的膠接強(qiáng)度和耐久性。常用的凈化表面的方法有溶劑清洗、蒸氣脫脂等。常用的化學(xué)處理方法有無(wú)槽化學(xué)氧化及涂硅烷偶聯(lián)劑等。無(wú)槽化學(xué)氧化的方法在外場(chǎng)實(shí)施時(shí)會(huì)受縫隙、裂紋損傷等結(jié)構(gòu)形式的限制,易產(chǎn)生二次污染,故不宜在外場(chǎng)使用。目前常用的簡(jiǎn)單表面處理方法是表面機(jī)械打磨后涂硅烷偶聯(lián)劑。
3.4 修補(bǔ)固化工藝及施工工藝保障修補(bǔ)固化的主要控制因素是壓力、溫度和時(shí)間。由于被修補(bǔ)部位與周?chē)鷻C(jī)體結(jié)構(gòu)組成了一個(gè)復(fù)雜的熱導(dǎo)體,而且結(jié)構(gòu)形式多樣,因此,需通過(guò)專(zhuān)用修補(bǔ)設(shè)備(如熱補(bǔ)儀)、配套材料以及特配工具對(duì)修補(bǔ)區(qū)提供連續(xù)的溫度和壓力保障。
4 復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)的設(shè)計(jì)分析
4.1 膠接修補(bǔ)的耐久性原則
對(duì)膠接修補(bǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮耐久性原則。(1)控制設(shè)計(jì)應(yīng)力水平。通過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的應(yīng)力計(jì)算來(lái)選擇補(bǔ)片的幾何參數(shù),至少保證膠接結(jié)構(gòu)中補(bǔ)片所受的應(yīng)力水平與原結(jié)構(gòu)損傷部位一致,而且補(bǔ)片分擔(dān)的載荷不超過(guò)膠粘劑的承載能力。(2)避免或減小偏心。單面膠接易使膠接修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心,于外力的作用下,在膠層中產(chǎn)生垂直于膠接面的拉伸應(yīng)力,使應(yīng)力峰值超過(guò)名義應(yīng)力,降低被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的承載能力。(3)降低應(yīng)力集中。補(bǔ)片邊緣的剛度變化應(yīng)平緩,避免邊緣結(jié)構(gòu)剛度突變而在膠層中產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致該部位膠層提前破壞。(4)合理布置補(bǔ)片。為保證修補(bǔ)效率,可在修補(bǔ)中采用單向纖維層板,在受載復(fù)雜部位可根據(jù)需要適當(dāng)增加90°和±45°鋪層。(5)修補(bǔ)后采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。因?yàn)闈駸?、腐蝕介質(zhì)、紫外線照射等環(huán)境會(huì)加速膠粘劑與補(bǔ)片的老化,降低膠粘能力。(6)控制膠接質(zhì)量。利用復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)損傷結(jié)構(gòu)的膠接修補(bǔ)應(yīng)嚴(yán)格遵循有關(guān)工藝規(guī)程來(lái)進(jìn)行。
4.2 膠接修補(bǔ)的主要參數(shù)
通過(guò)對(duì)補(bǔ)片尺寸、鋪層及外形等細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì),使被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)在載荷、環(huán)境等因素的綜合作用下具有良好的使用功能和較長(zhǎng)的使用壽命。從設(shè)計(jì)角度而言,膠接修補(bǔ)的參數(shù)主要包括補(bǔ)片的形狀、尺寸和鋪層。
4.2.1 補(bǔ)片的形狀
確定補(bǔ)片的形狀時(shí),考慮損傷結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn),并注意補(bǔ)片的形狀不能太特殊。修補(bǔ)中心帶裂紋的金屬板,補(bǔ)片的最佳形狀是設(shè)計(jì)成歪斜的(對(duì)稱的四尖葉形或腰鼓形),注意確保板內(nèi)應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力;矩形的補(bǔ)片次之,但比橢圓形、圓形和正方形的更有效,垂直于裂紋方向的最佳長(zhǎng)度等于裂紋的長(zhǎng)度,平行于裂紋方向的長(zhǎng)度等于板長(zhǎng)的最有效;橢圓的補(bǔ)片次于歪斜的和矩形的,橢圓的長(zhǎng)軸平行于裂紋的比垂直于裂紋的更有效,長(zhǎng)軸的最佳長(zhǎng)度等于母板寬度,短軸(垂直于裂紋方向)的最佳長(zhǎng)度等于裂紋的長(zhǎng)度。對(duì)相同體積的補(bǔ)片而言,增加厚度與增加面積相比,前者可使應(yīng)力強(qiáng)度因子多下降18%[6]。補(bǔ)片邊緣應(yīng)設(shè)計(jì)成具有一定錐度的楔形,錐度比為30∶1至20∶1時(shí),就能避免邊緣結(jié)構(gòu)剛度突變而在膠層中產(chǎn)生的應(yīng)力集中。而ＭａｒｙＡ.Ｍａｈｌｅｒ[7]認(rèn)為錐度比為16∶1時(shí),粘接強(qiáng)度較高;應(yīng)力分析表明,在某些區(qū)域,錐度比為10∶1時(shí),也能提供足夠高的粘接強(qiáng)度。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)承載較小的區(qū)域,即使存在稍高一點(diǎn)的應(yīng)力/應(yīng)變集中,也仍在安全范圍之內(nèi)。為避免剪應(yīng)力,尤其在補(bǔ)片的0°方向,將其末端切成鋸齒形就能減小剪應(yīng)力,并大大提高修補(bǔ)的粘接強(qiáng)度。
4.2.2 補(bǔ)片的尺寸
對(duì)于貼補(bǔ)式修補(bǔ)而言,與補(bǔ)片尺寸直接相關(guān)的參數(shù)是搭接長(zhǎng)度(補(bǔ)片長(zhǎng)度)。對(duì)于雙面搭接,存在一個(gè)與最大可用強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的臨界搭接長(zhǎng)度,通常為20ｍｍ～30ｍｍ,采用更長(zhǎng)的搭接長(zhǎng)度不會(huì)增加承載能力。優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求是補(bǔ)片的面內(nèi)剛度與母板的一致。由于貼補(bǔ)修補(bǔ)可作為雙面搭接的一半來(lái)處理,在補(bǔ)片材料與母板材料的彈性模量相同的情況下,最佳的補(bǔ)片厚度應(yīng)該是母板厚度的一半。理論計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)裂紋長(zhǎng)度恒定時(shí),增加補(bǔ)片的寬度,可以提高結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果,但當(dāng)補(bǔ)片的寬度增至一定值,結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果提高甚微。另一方面,補(bǔ)片的長(zhǎng)度存在一個(gè)最優(yōu)值,使得裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子最小。增加補(bǔ)片的厚度,可以提高結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果,但膠層內(nèi)的最大剪應(yīng)力也隨之提高,為避免脫粘,補(bǔ)片的厚度也有一上限值。
4.2.3 補(bǔ)片的鋪層
為獲得最佳的膠接修補(bǔ)效果,復(fù)合材料補(bǔ)片的纖維方向(主軸方向)應(yīng)盡量同損傷結(jié)構(gòu)中的最大受力方向保持一致。由于載荷方向和層壓板諸多設(shè)計(jì)約束的限制,補(bǔ)片的鋪層通常沒(méi)有更多的選擇余地,纖維的0°、45°和90°鋪層的比例一般在30∶55∶15左右,而0°方向則與主受力方向一致。
5 修補(bǔ)無(wú)損檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證
5.1 修補(bǔ)的無(wú)損檢測(cè)
修補(bǔ)檢測(cè)的任務(wù)首先是選擇合適的無(wú)損檢測(cè)方法,按照規(guī)定的程序和周期,對(duì)在役復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和確定損傷部位、損傷大小,為復(fù)合材料宇航材料工藝修補(bǔ)提供判斷依據(jù);其次是對(duì)損傷結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)修補(bǔ)后的質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),評(píng)定損傷修補(bǔ)程度和完好性。迄今為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在無(wú)損檢測(cè)及界面的粘結(jié)質(zhì)量評(píng)估方面開(kāi)展了一些卓有成效的研究工作,提出的無(wú)損檢測(cè)方法有十幾種,但能有效地用于復(fù)合材料損傷修補(bǔ)檢測(cè)的方法主要有:目視檢測(cè)、敲擊法、阻抗法、諧振法、Ｘ射線法、激光全息法、紅外熱圖法、超聲法、聲發(fā)射法。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,陳金龍等人把偏振相移技術(shù)引入錯(cuò)位散斑之中,建立了一套具有非接觸、高精度和全場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)等特點(diǎn)的測(cè)試系統(tǒng),完成了對(duì)雙材料界面的粘接狀況的研究,并做定量分析和處理,實(shí)現(xiàn)了雙材料界面粘接質(zhì)量的定量無(wú)損檢測(cè)。Ｃｈｉ ｕ等人首先提出了“智能結(jié)構(gòu)”的概念,作為對(duì)母體結(jié)構(gòu)補(bǔ)片膠接修補(bǔ)后的在役性能的評(píng)估手段。Ｙ.Ｌ.Ｋｏｈ等人將智能材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè),以壓電陶瓷(ＰＺＴ)作為傳感/激勵(lì)元件,當(dāng)ＰＺＴ粘在損傷區(qū)上,采用阻抗法進(jìn)行實(shí)時(shí)局部檢測(cè),可確定損傷的出現(xiàn);當(dāng)需要遠(yuǎn)程傳感時(shí),則采用轉(zhuǎn)換功能法確定修補(bǔ)中脫粘的范圍。將兩種方法有機(jī)結(jié)合,便可檢測(cè)出修補(bǔ)中的損傷和母體中的損傷擴(kuò)展情況。
5.2 修補(bǔ)的試驗(yàn)
驗(yàn)證對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證主要包括性能驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和部件驗(yàn)證,其中性能驗(yàn)證包括強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、濕熱環(huán)境下的耐久性試驗(yàn)及損傷容限評(píng)定試驗(yàn)等,以評(píng)價(jià)修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)是否滿足環(huán)境適應(yīng)性要求和結(jié)構(gòu)完整性要求。
6 補(bǔ)片膠接修補(bǔ)研究方法
補(bǔ)片膠接修補(bǔ)的研究方法主要包括:理論分析與計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。
6.1 理論分析與計(jì)算
理論分析與計(jì)算的目的是在實(shí)施修補(bǔ)之前,對(duì)損傷區(qū)的剛度和強(qiáng)度降低情況給出基本評(píng)估,對(duì)擬采取或確定的修補(bǔ)措施給出修補(bǔ)后的剛度和強(qiáng)度恢復(fù)情況的預(yù)估,從而減小試驗(yàn)件的投入成本、縮短修補(bǔ)周期、提高修補(bǔ)設(shè)計(jì)水平。對(duì)那些無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)鍵部位的損傷修補(bǔ)問(wèn)題,理論分析就顯得尤為重要。理論分析與計(jì)算主要采用解析法和數(shù)值法。
6.1.1 解析法
Ｅｒｄｏｇａｎ等人根據(jù)Ｍｕｓｋｈｅｌｉｓｈｖｉｌｌｉ的平面彈性理論,用復(fù)變函數(shù)方法分析了膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布和裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。在該分析模型中,膠層被認(rèn)為是各向同性材料,并考慮其彈塑性變形;裂紋板和補(bǔ)片均處于平面應(yīng)力狀態(tài),兩者之間的作用力通過(guò)膠層的剪切變形而實(shí)現(xiàn),膠層對(duì)裂紋板和補(bǔ)片的剪切力,在各自厚度上均勻分布,用位移協(xié)調(diào)條件建立方程組,問(wèn)題最終歸結(jié)為解1個(gè)第2類(lèi)的Ｆｒｅｄｈｏｌｍ積分方程組。Ｒｏｓｅ[18,19]等人根據(jù)廣義平面應(yīng)力的彈性包容理論,通過(guò)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)、膠層應(yīng)力和裂紋尖端應(yīng)力分量這三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)的分析計(jì)算,對(duì)單側(cè)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的單面和雙面貼補(bǔ)法的修補(bǔ)效果進(jìn)行了研究。整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為兩個(gè)階段:在第一階段的分析中假設(shè)補(bǔ)片膠接到一塊沒(méi)有損傷的金屬板上,并引入剛性膠接假設(shè)(金屬板和復(fù)合材料補(bǔ)片之間沒(méi)有相對(duì)位移),根據(jù)彈性包容理論計(jì)算膠接修補(bǔ)區(qū)內(nèi)金屬板上的應(yīng)力值;在第二階段的分析中,則在金屬板上引入一條裂紋,用近似方法估算裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子值,并給出了修補(bǔ)效果比較,即雙面貼補(bǔ)優(yōu)于單面貼補(bǔ),因?yàn)閱蚊尜N補(bǔ)中的面外彎曲會(huì)導(dǎo)致修補(bǔ)效率下降和補(bǔ)片及膠層中的應(yīng)力升高。而加厚補(bǔ)片可有效降低補(bǔ)片下裂紋的應(yīng)力集中。解析法計(jì)算時(shí)間短、費(fèi)用低,在研究各參數(shù)的變化對(duì)膠接修補(bǔ)效果的影響時(shí)非常方便。但對(duì)補(bǔ)片的參數(shù)有很大的限制;計(jì)算精度低,且誤差分析困難。
6.1.2 數(shù)值法
Ｊｏｎｅｓ等人采用平面有限元模型對(duì)含裂紋結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)問(wèn)題進(jìn)行了研究。由于受平面分析模型的限制,分析模型中忽略了單面膠接修補(bǔ)引起的彎曲變形和結(jié)構(gòu)不對(duì)稱對(duì)結(jié)果的影響。Ｓｕｎ等人基于Ｍｉｎｄｌｉｎ平面理論,假設(shè)沿板的厚度方向位移線性分布,這樣就可以考慮單面膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中彎曲變形對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。ＲａｎｄｏｌｐｈＡ.Ｏｄｉ和ＣｌｉｆｆｏｒｄＭ.Ｆｒｉｅｎｄ對(duì)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)中常用的三個(gè)有限元模型,即:ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應(yīng)變模型、ＢＡＩＲ的準(zhǔn)三維復(fù)合材料殼元模型和三維塊體元模型進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算,給出了相應(yīng)的分析結(jié)論:ＢＡＩＲ模型與傳統(tǒng)的二維模型相比,母板、補(bǔ)片及膠層的面內(nèi)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果符合良好,但得到的膠層剪應(yīng)力結(jié)果可靠性較差;ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應(yīng)變模型因自身單元品質(zhì),無(wú)法給出準(zhǔn)確的鋪層應(yīng)力;三維模型計(jì)算較準(zhǔn)確,但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。關(guān)于這方面的研究工作主要集中在兩個(gè)方面:首先是改進(jìn)膠層的分析模型以改善計(jì)算精度;其次是計(jì)算膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的殘余熱應(yīng)力對(duì)應(yīng)力分布、裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。有限元分析方法適用范圍較廣,對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和補(bǔ)片的鋪層沒(méi)有限制,且計(jì)算精度較高,在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際膠接修補(bǔ)分析中普遍采用。一些學(xué)者還針對(duì)某些具體問(wèn)題開(kāi)展了部分研究工作。如Ｍ.Ｊ.Ｄａｖｉｓ和Ｄ.Ａ.Ｂｏｎｄ對(duì)幾種常見(jiàn)的飛機(jī)膠接結(jié)構(gòu)及膠接修補(bǔ)后的破壞模式和破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)許多試件進(jìn)行解剖剝離,給出了各種真實(shí)的破壞模式和破壞機(jī)理描述,也指出了搞清楚這些破壞模式和破壞機(jī)理對(duì)于正確選擇膠粘劑、修補(bǔ)材料、修補(bǔ)參數(shù)、修補(bǔ)工藝及測(cè)試方法的重要性。Ｊ.Ｗ.Ｃｈｏｉ等人對(duì)石墨/環(huán)氧復(fù)合材料采用三種修補(bǔ)方法(單面預(yù)固化補(bǔ)片法、雙面預(yù)固化補(bǔ)片法和實(shí)地固化法)進(jìn)行了強(qiáng)度研究,得到了強(qiáng)度恢復(fù)率為無(wú)缺口件的60%～80%的結(jié)論。通過(guò)采用基于疲勞剛度降低模型和參考剛度的Ｈｗａｎｇ和Ｈａｎ方程(ＭＦＬＰＥ1修正的疲勞壽命方程)對(duì)修補(bǔ)后試件的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè),并同傳統(tǒng)的Ｓ—Ｎ曲線疲勞壽命方程進(jìn)行了比較。
6.2 實(shí)驗(yàn)研究
Ｒａｔｗａｎｉ等人詳細(xì)研究了補(bǔ)片材料、尺寸和鋪層設(shè)計(jì)及環(huán)境條件(溫度和相對(duì)濕度)對(duì)膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。Ｓａｎｄｏｗ和Ｃａｎｎｏｎ考察了2024—Ｔ3鋁合金板的厚度、膠粘劑種類(lèi)(40℃固化的Ｋ138和120℃固化的ＡＦ163)、疲勞載荷類(lèi)型(等幅譜和隨機(jī)譜)及補(bǔ)片鋪層設(shè)計(jì)等因素對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。Ｄｅｎｎｅｙ研究了膠層脫膠位置、脫膠尺寸及初始裂紋長(zhǎng)度、最大應(yīng)力和應(yīng)力比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率和結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。Ａｌａｗｉ和Ｓａｌｅｈ研究了補(bǔ)片的形狀、尺寸,膠接修補(bǔ)方式(單面或雙面)及試件的表面質(zhì)量對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響,認(rèn)為膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋擴(kuò)展速率發(fā)生變化的根本原因是Ｐａｒｉｓ裂紋擴(kuò)展過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)常數(shù)的改變,因此通過(guò)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,擬合出各種典型修補(bǔ)情況的Ｐａｒｉｓ裂紋擴(kuò)展公式中材料常數(shù)。
7 結(jié)束語(yǔ)
復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)無(wú)論對(duì)于航空航天還是復(fù)合材料領(lǐng)域都是非常重要的。雖然近30年來(lái),已有很多學(xué)者對(duì)復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)作了許多細(xì)致有益的工作,但是復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)中仍然存在一些困難和不盡如人意之處,有待進(jìn)一步的研究。(1)由于復(fù)合材料補(bǔ)片與金屬材料的熱膨脹系數(shù)相差很大,結(jié)構(gòu)在高溫固化后冷卻到室溫時(shí),修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中存在殘余熱應(yīng)力和殘余熱應(yīng)變。在實(shí)際的膠接修補(bǔ)中,采用何種復(fù)合材料,既經(jīng)濟(jì)又能與金屬母體材料的熱膨脹系數(shù)相匹配。(2)采用碳/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片修補(bǔ)鋁合金結(jié)構(gòu)時(shí),兩者之間易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),采用什么措施,才能有效防范。
