杏彩体育网页版:【复材资讯】航空金属构件损伤复合材料单面贴补修复力

　　针对航空金属构件损伤碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)单面修补结构，研究了3种贴补修复工艺(湿铺法、预浸料法、预固化法)、复合材料补片厚度、补片长度与修复界面形貌、胶接特性、失效形式和极限载荷之间的对应关系；建立了三维有限元模型，基于三维Hashin失效准则模拟复合材料补片的层内损伤和演化过程，基于内聚力模型模拟胶层和复合材料补片的层间破坏，通过与试验和理论分析对比，验证了该有限元模型的有效性。研究结果表明：3种修补工艺具有不同的界面形貌和失效形式，湿铺法工艺的修复效果最好，是预固化法的3.3倍、预浸料法的1.3倍；随着复合材料补片厚度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后减小，最后趋于稳定，失效形式逐渐从复合材料补片分层崩裂、纤维断裂与胶层损伤的混合失效逐渐演化到胶层的剪切失效，得到修复效果最好的补片厚度为7层约1.05 mm；随着补片长度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后线性减小，胶层的损伤从接头中央和两端起始并往中间区域演化，得到修复效果最好的补片长度为80 mm。该结论为航空维修工程应用提供了良好依据和建议。

　　( 1. 南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；2. 江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京 210016 )

　　飞机金属结构在服役过程中容易产生开孔、裂纹和腐蚀等损伤，传统的机械修理方式(铆接、螺接)因效率低、增重大、需对母板进行制孔等操作而无法满足修理要求[1]。随着先进复合材料和胶接技术的不断成熟，金属构件损伤复合材料贴补修复技术因增重小、可设计性强、无二次损伤、便于原位操作等优点在航空维修等领域中具有广泛的应用前景[2-4]。

　　近年来，国内外学者对复合材料和胶粘剂的连续损伤模型、胶接工艺及胶接结构性能进行了大量研究，分析和比较了不同损伤理论分析的准确性、胶接形式对修补结构连接性能的影响[5-9]。研究发现，复合材料胶接结构的力学性能和损伤形式与胶接长度和铺层等方式有关[10-11]。毛振刚等[12]开展了不同搭接长度的拉伸试验，得到了最佳胶接长度，使得结构强度明显提高。苗学周等[13]基于渐进损伤理论建立了不同补片形状的复合材料修补模型，得到了最佳的补片几何参数，并验证了模型的准确性。孙运刚等[14]采用复合材料湿法修补对含裂纹铝板进行疲劳特性分析，结果表明复合材料湿法浸润胶接对较薄铝板具有很好的修理效果。王跃等[15]考虑附加弯矩的影响建立单面修补含中心裂纹板的解析模型，求解了修补结构基板的最大和最小应力。Purimpat等[6]对胶接接头的整体与局部效应关系进行分析，研究表面层压板的0°铺层会提高胶接接头的弯曲刚度和连接强度。Sun等[16]使用三维Hashin失效准则，研究不同的胶接参数对极限失效载荷、失效形式和应力分布的影响。Fielden-Stewart等[17]使用选择性激光融化(SLM)技术制作了不同印刷角度(45°、90°)的试件，研究了表面形貌对Al/复合材料胶接接头界面断裂韧性的影响。Duong等[18]研究了胶接修理过程中，由于胶粘剂的固化温度不同而产生的残余热应力所引发的一系列问题。然而，目前关于不同修补工艺和补片参数的试验件胶接界面表面形貌、胶接特性和失效形式之间的对应关系却很少研究。

　　本文通过试验研究和数值模拟等手段，分析了航空钛合金构件损伤复合材料单面贴补修复结构的修复工艺、补片参数、界面形貌、胶接特性、失效形式等因素对修复性能的影响规律，为航空维修工程设计与应用提供建议。

　　采用TC4钛合金板、SY-24C中温固化结构胶膜和T300/7901碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料来研究航空金属构件损伤复合材料单面贴补修复结构的力学性能，试件模型如图1所示。使用两块尺寸均为100 mm×25 mm×2 mm的TC4钛合金板对接结构模拟穿透性裂纹，由上海禄浩金属集团制造。结构胶粘剂采用航空构件上常用的SY-24C中温固化结构胶膜，单层胶膜厚度为0.12 mm，由中国航发北京航空材料研究院制造。使用T300/7901复合材料来制作补片(Patch)，单层CFRP层合板的厚度为0.15 mm，由上海晋飞碳纤维科技公司提供。表1为TC4钛合金板的材料参数。表2为SY-24C胶膜的材料参数[19]。表3为T300/7901复合材料的材料参数[20]。

　　修复工艺主要包括施工保障工艺和修补固化工艺。胶接修补过程中根据复合材料补片处理方法的不同，可分为湿铺法、预浸料法和预固化法(干补法)。湿铺法是指用树脂浸渍纤维碳布的同时进行铺层制作复合材料补片，这种方法原料易储存，更加适应外场条件的飞机结构修复，但对复合材料补片的质量控制比较困难；预浸料法是指直接使用碳纤维预浸料进行铺层制作补片，这种方法操作方便，制作的补片质量比较均匀，但是预浸料需要在低温密封条件下储存，使用也需提前约12 h取出进行“醒料”；预固化法是指将已经固化成型的复合材料补片用胶粘剂贴补到损伤母板上，修复时只需使胶粘剂固化，这种方法施工时间短，便于外场操作，但只能应对固定曲率结构的损伤模式，无法应对较大曲率的结构件。

　　制作试件时，首先对金属板进行丙酮去污、超声清洗和干燥等处理，然后沿裂纹位置对称铺设结构胶膜，并根据3种修补方式分别制作复合材料补片，最后使用东莞市正工科技机电设备有限公司生产的MCGS数显高精度热压机固化试验件。具体的固化流程为，首先以2℃/min的升温速率从室温升至80℃，在(80±2)℃下保温30 min，然后以1.5℃的升温速率从80℃升至125℃，并在该温度下保温120 min，最后自然冷却60 min后取出试件，全程固化压力为(0.3±0.05) MPa，固化流程图如图2所示。

　　准静态拉伸性能反映了结构材料抵抗破坏的能力，是衡量修复结构修复效果的一个重要指标。参照GB/T 1447—2005[21]标准在室温(25℃)条件下，使用东莞市宝大仪器有限公司生产的GDW-60型电子万能拉伸试验机对试件进行准静态拉伸。试验时，将单面贴补修复结构试验件的两端夹持在试验机上下端完全固定，上端施加纵向位移载荷，设置拉伸速率为1 mm/min，如图3所示。试件断裂为试验终止判据，记录载荷-位移曲线及试件的破坏形式。

　　制定3个试验方案，试验1研究3种修复工艺的修复效果，试验2研究复合材料补片厚度对修复结构的影响，试验3研究补片长度对修复结构的影响。为控制复合材料补片质量和操作便捷性，试验2和试验3的修补试件中复合材料补片均使用预浸料法制作。本文所有修补试件的复合材料补片均为0°铺层，即与承载方向相同。

　　本文综合考虑了计算精度与应用便捷性，使用三维Hashin失效准则[22]来预测复合材料层合板的损伤起始。该准则考虑了4种损伤模式，表达式如下：

　　式中：Fft和Ffc代表纤维拉伸和纤维压缩损伤变量；Fmt和 Fmc代表基体拉伸和基体压缩损伤变量；σij (i, j=1, 2, 3)代表应力；Xt和Xc代表纵向的拉伸和压缩强度；Yt和Yc代表横向的拉伸和压缩强度；S12、S23和S13分别代表面内、面外的抗剪强度。

　　复合材料结构的损伤模型可以分为两类：层内损伤和层间损伤。层内损伤是指纤维的拉伸和压缩断裂、基体的拉伸和压缩开裂；层间损伤是指层合板相邻层间的分层破坏。本文采用连续损伤模型(Continuum damage model，CDM)[23]，同时考虑复合材料层合板的层内损伤和层间损伤，研究载荷作用下可能发生的多种损伤行为。

　　基于三维CDM模型，将纤维和基体的连续损伤变量引入到应力-应变本构关系中，通过材料刚度的退化来维持渐进式损伤过程。复合材料与损伤变量的本构关系可以表示为

　　式中：σij和εij分别代表应力、应变张量；Cij是由模量Eij和泊松比vij组成的刚度矩阵张量；Gij表示断裂韧性；损伤变量df代表纤维损伤；dm代表基体损伤；下标t和c分别代表拉伸和压缩。

　　使用上述三维Hashin失效准则预测损伤起始后，材料进入损伤演化阶段。本文采用基于应力-位移的双线性软化关系来预测损伤演化过程，如图4所示[24]。损伤变量df和dm定义了从损伤起始点δ0到完全失效点δc的线性软化，对于纤维的损伤演化可以表示为

　　使用内聚力(Cohesive)单元模拟复合材料层合板的分层损伤和结构胶膜的胶层失效，其中CFRP层合板的层间Cohesive单元厚度为0.05 mm，胶膜的Cohesive单元厚度为0.12 mm。

　　为了准确模拟内聚力单元的破坏，采用双线性本构的二次名义应力准则[25]来判断损伤起始，本构模型如图5所示，其表达式为

　　式中：Knn、Kss和Ktt分别为法向拉伸、面内剪切和面外剪切的刚度系数；δ为裂纹张开位移。

　　式中：D为损伤系数，其范围为[0, 1]。当D=0时，表示材料未发生损伤；当D=1时，表示材料完全失效；材料的刚度退化为零，此时δ = δf。

　　由于内聚力单元的失效形式经常为I型、II型和III型的混合破坏，因此本文采用基于能量释放率的Benzeggagh-Kenane (B-K)混合损伤演化准则，其表达式为

　　如图6所示，基于有限元软件ABAQUS建立三维的金属损伤结构复合材料单面修补试件有限元模型。胶层Cohesive采用COH3D8单元进行网格划分，扫掠方向为厚度方向；金属板和复合材料补片采用六面体C3D8R单元，并且复合材料的三维模型通过用户子程序VUMAT实现。金属板、胶膜和复合材料之间通过“Tie”约束连接，并对胶接区域进行网格细化，网格单元尺寸为：0.5 mm×0.5 mm。有限元模型的边界条件与试验一致，金属板的一端完全固定，另一端沿x方向施加平滑的位移载荷。

　　图7为使用3种修复工艺所制的试件，对其准静态拉伸得到的极限承载强度和变异系数表征。其中使用预固化法、预浸料法、湿铺法所修复试件的平均极限承载强度分别为4.62 kN、11.79 kN、15.21 kN。湿铺法工艺的修复效果最好，其强度恢复性能是预固化法的3.3倍，是预浸料法的1.3倍。变异系数表征数据的离散程度，可以看到最大变异系数为4.41%，最小仅为1.72%，说明试件的制备工艺保障性好，稳定度高，实验数据具有良好的可靠性。

　　修复效果的好坏依赖于胶接质量。在胶接过程中，由于胶粘剂的流动性和较小的表面张力，对被粘物的表面产生浸润作用，使界面分子紧密接触，达到吸附平衡。随后，胶粘剂分子对被粘物表面进行跨界面的扩散作用，形成扩散界面区。分子可以扩散到表面氧化层的微孔中，达到分子的紧密接触，形成胶接键。总的来说，胶接是利用胶粘剂在胶接界面上产生的机械啮合力、物理吸附力和化学键共同作用下传递载荷。

　　对于预固化修复方法，CFRP补片已固化完成，表面结构及曲率也随之固定，在与胶粘剂和金属板的贴合过程中难以完全紧密接触，界面会有气泡等不利因素，减小了胶接面积；并且补片中树脂已固化无法流动，胶粘剂对补片的浸润性变差，分子也难以运动形成胶接扩散界面，不易建立起高能胶接键。对于预浸料修复方法，纤维含量和树脂含量比较固定，形成的补片质量较好；可以进行柔性铺设，与胶粘剂的胶接界面在共固化过程中具有一定的流动性，产生的胶接效果优于预固化法。对于湿铺法，表面的一层碳纤维可直接与胶粘剂紧密贴合，且湿浦过程中环氧树脂的流动性极强，相互之间容易产生化学键，增大胶接强度，因此湿铺法工艺的修复效果优于预固化法和预浸料法，但对工艺要求较为严格。

　　图8为3种修复试件的失效形式。可以观察到，预固化法所制补片的表面胶接性能差，失效形式为胶粘剂与CFRP补片的界面脱粘，胶粘剂未发生明显损伤；预浸料法的失效形式为占比较大的胶接区域发生胶层剪切失。