《复合材料胶接修补分析：损伤探测与预测.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料胶接修补分析：损伤探测与预测.（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、复合材料胶接修补分析：损伤检测与预测摘要 高性能复合材料在商用与军用飞机上的广泛应用引起了人们对复合材料修补技术的关注。他们日益增长的使用主要是由于同更多传统材料相比，它们具有很高的比强度/刚度及改善的疲劳寿命1。在使用过程中，一架直升机会受到结构和气动方面的载荷。这些载荷会引起结构损伤或减弱，从而影响承载能力。为了保证一架直升机持续飞行，修补或加强损伤与薄弱部件以使结构得到恢复，这已成为近年来一个重要的研究。胶接修补是复合材料最常见的一种修补类型2。这一技术代替了通常引起应力集中而影响性能的机械连接修补。有两种类型的胶接补片能用来修补损伤结构：外部粘合补片和挖补式粘结补片。外部粘合补片能恢复
2、材料的强度，而且过程快速简单。此外，胶合到原始结构的补片与原结构匹配，而且降低了修补区域的应力间断，从而提供了更高的刚度，因而挖补法比贴补法更优越。为使气动干扰最小化，这一修补技术常用在表面必须平滑的部位。在现今研究中，在单向拉伸载荷下评估CFRP层合板的两种胶接修补技术。试样都是由商用碳环氧预浸布加工制得，本文研究用到了两种不同层合板：准各向同性编织M21/HTA碳纤维环氧树脂板和准各向同性单向M21/T700碳纤维环氧板。使用三元有限分析确定最佳修补结构的应力场，并将结果同实验观察相比较。挖补法修补的复材板的性能可用两种在线损伤分析来检测：超声导波（兰姆波）分析和基于数字图像相关技术（DI
3、C）分析的全场测试方法。进行了前期损伤两种技术结果相关性的比较，通过挖补法恢复强度的结论和损伤演化也可以推断出来。最后，将这些结果同离线技术相比较，如超声C扫描和X射线检测，以便确定受载后的损伤位置和程度。关键词：复材胶接补片修补 数字图像 无损检测 损伤检测 应力集中 超声导波 挖补法1、背景近年来，复合材料在运输工业（航空，汽车和船舶）方面的应用显著增加。如新一代商用飞机波音787和空客350，是将复合材料用在机身主要结构的第一代商用飞机 3。因此，越来越有必要发展直升机基础结构部件（如机身或机翼）的修补技术，而不是把替换这些部件作为首要解决办法。飞机上常见损伤主要来于意外撞击（车辆和其他
4、可移动服务设备），鸟撞，冰雹和雷击，或是由液压油或吸湿所引起的劣变4,5。由于部件的高度集成化和大型化，替换损伤部位不是一种最佳方法。因此发展复合材料修补技术和工艺的必要性是显而易见的。复合材料最常见的一种修补类型是复合材料胶接补片修补4。与传统机械连接修补方法如铆接相比，复合材料补片胶接修补能节省成本，并能进行高损伤容限的结构修补5。在航空工业中复合材料最常见的修补类型是贴补法和挖补的。从制造和应用方面来看，这些修补技术各不相同。然而，随着新飞机项目将复合材料用在了安全性至关重要的基础结构，修补的设计与认证更具挑战性。另一方面，使用胶接补片修补结构的性能和质量不仅依赖于修补过程，而且同每个修
5、补人员的经验和技术相关。因此，鉴于这些修补需要通过民航公司认证，就迫切需要在线监测技术。1.1胶接修补 外接补片的修补使用过程比挖补方法更方便快捷。在飞行过程中，外接补片通常作为一种临时修补方法，或者在不受力件或相对薄的结构中作为永久修补方法。外接补片将载荷转移在损伤周围，从而减弱了损伤边缘的局部应力集中2,4。用这一技术，损伤材料通过开孔，清理，填充胶接材料来去除，然后再接补片。 Soutis等人2,4,6的早期研究和近期其他研究2,4,6都概述了贴补法设计的使用指南。研究表明修补在早期阶段可以简化成代表修补结构单侧或两侧补片的单面或双面胶带搭接。然后，可以用剪切滞后模型和胶接时的最大剪切应
6、变准则来确定最佳补片尺寸，厚度和弹性模量。这一模型也可用来检测胶层厚度的影响因素和接头强度的剪切性能。 贴补法首先要考虑的是确定补片尺寸。如果补片重叠长度或胶接长度太短，胶层整体就会处于高剪切应力。对于长的胶接长度，大部分载荷分布在胶接重叠的末端，这就是长补片不能提高最终预期强度的原因。因此，用补片修补薄层合板10mm孔（损伤区域清洗后的尺寸）两侧的理想重叠长度大约是1215mm4。即使修补结构上孔的尺寸达到30mm，15mm的胶接重叠长度也是有效的，从而最佳补片的直径大约是60mm4。与重叠长度的方法一样，也可以来确定补片厚度，补片的最佳厚度可由主板的厚度确定。太薄的补片或相对低模量补片强度
7、较低，然而过钢的补片是有害的，因为其会增加材料质量，而且重叠区域会存在高剪切应力4。鉴于这些考虑，孔的尺寸是1030mm时，薄修补层合板的最佳补片厚度占主板的4060%4。对于补片形状来讲，圆补片比方形补片好，可能是由于其在修补区域产生的应力较小3。为了研究补片铺层顺序对修补性能的影响，Liu 和 Wang 7通过测试用六种不同铺层顺序补片修补拉伸后的层合板，探讨了补片铺层顺序对修补效率的影响。结果表明补片铺层顺序对失效的起始强度和最终强度几乎无影响。然而，Cheng等人9的近期研究表明主板的失效过程依赖于补片结构板层的排列。 用于粘结补片和主板的胶接材料是修补设计中最重要的因素。如果胶层太薄
8、，它会又硬又脆，将导致靠近补片和孔边缘的高应力区域产生起始剪切失效，使得损伤扩展至整体重叠区域。然而，如果胶层太厚，会有很强的可塑性，而且在载荷作用下，它的迅速失效会减弱主板与补片间载荷传递的有效性。上述研究中修补胶层的最佳厚度是0.20.3mm7 ，也有人为0.1250.25mm是有效的4 。 挖补法是能提供最高接头效率的一种方法。这种修补技术常用在要求表面平滑的部位，由于它可以将气动干扰最小化。此外，在修补部件十分厚时，挖补法比贴补法有显著优势。这些情形下，贴补法将会引起额外厚度，较高的脱粘力和剪应力，而这些不会出现在挖补方法中2。 挖补过程在修补区域需要锥形沙（或阶梯沙），以此得到准确的
9、挖补角度，确定层板边缘，从而去掉损伤。锥形区域根据结构厚度或层板数量确定。通常薄结构的锥形比例是50：1（长度：厚度），而厚部件的比例是30：1。损伤区域清洁后，就可用修补板层。一个重要的设计参数是层合板的铺层方向必须同补片一致10。 现今挖补补片的使用方法是将补片放在挖补腔内，并在损伤平面固化，同软板修补方法一致。Whitting-ham等人11的近期研究提出了两种产生硬补片修补的方法，包括将预形成补片胶接在挖补腔中。第一种方法叫做模压法，是在加工腔的模具中预制补片，然后将其胶接在挖补腔内。第二种方法是用表面分析设备获得挖补腔表面数据，然后从复材板上加工补片。如果使用真空袋而不是高压釜，补片
10、将会比主体复材结构有显著不同的性能。这些结果表明整个补片粘结层厚度的变化相对于软补片方法有显著改善。 为了保护挖补补片的一端，商用挖补法通常要有额外的外部厚度即过铺层。这些过铺层也能进行额外加固11。Breitzman等人12也通过对有过铺层层和无过铺层的挖补法修补在拉伸载荷下进行了的一些数值和实验研究。结果表明，由于将额外载荷转移到过铺层，有过铺层的修补层压板强度有了提高。就过铺层厚度这一影响因素来讲，从没有过铺层到只有一层过铺层，应力也有显著降低，即使较厚的过铺层会使得应力更大降低。对过铺层纤维取向的进一步研究分析，似乎证实了直升机结构修补手册（SRM）13的商业需求。依据SRM，为了最小
11、化胶层应力，第一层过铺层应该与主体层压板最外层（与过铺层相接的）的取向方向一致。然而进行挖补前必须考虑如设计步骤这类确定的弊端。首先挖补比贴补法更要求高水平的专业技术，它需要将大量的非受损材料移除，从而得到使刚度和强度恢复的挖补角度11。Wang 等人14为了得到最佳的挖补形状，进行了大量数值研究。他们的研究结果表明，采用超过传统设计修补的最佳修补，可以显著减少移除的材料（26%到76%之间）。而且，对于小挖补角度，最佳挖补尺寸的同心椭圆长宽比约等于双轴应力比。其他研究表明对于损伤长宽比高时，方椭圆混合轮廓能进一步减小修补尺寸。1.2胶接修补的损伤评估 实验研究表明胶接补片修补能够将修补结构的
12、强度恢复原层压板强度的80%2,12,15。 层压板复材具有多相性和各向异性的特性，因此其机械性能很复杂。因此，应该对层压板复材进行更深的实验评估来得到全面的实验数据，而不是从应变计或引申计测量有限的应变或位移1618。这与实验评估复材修补有很大关系，因为要得到加载条件下的修补机械性能，检测整个修补区域很重要。 从文献来看，过去常用有限的数据来评价加载条件下的复材修补性能。然而，红外热像法能来检测复材补片结构的稳定性19，也可以在拉伸疲劳载荷下检测修补试样损伤的起始和扩展，以此来评估修补的起始损伤9。为了检测层合板和修补试样的损伤过程，能方便测量细微应变的数字图像相关（DIC）技术1618,2
13、0已用来评估层压板复合材料结构的损伤过程，但以前的有限研究 15,21,22仅集中于复材结构修补补片的性能。而且，用兰姆波检测复材试样损伤的无损检测方法过去用在修补层压板的损伤检测中2328。另一种评估复材补片修补性能的技术是C扫描超声检测3,21 。这一测试方法作为最后的质量检测，以此保证修补表面没有气孔，而且修补中没有造成损伤。在这一研究中，使用轴向拉伸载荷测试胶接修补损伤的性能和评价。首先研究开孔试样的性能。研究开孔试样的性能，对于使用螺栓和铆钉连接的复杂结构设计很有必要。研究两种不同商用碳纤维环氧层压板使用的贴补法和挖补法：编织碳环氧（M21/HTA）和单向碳环氧（M21/T700）的
14、预浸料，其铺层顺序是 (0/90/45/0/90)3 T。挖补补片用在冲击损伤的编织碳纤维环氧M21/HTA板上。拉伸测试能够研究胶接补片修补的性能和损伤评估。为了检测加载时修补区域的失效过程，二维（2D）和三维（3D）数字图像相关技术（DIC）与兰姆波分析共同应用，其中压电传感器（PZT）作为驱动器和接收器。测试挖补法修补板前，为了检测会造成过早失效或裂纹损伤的制造缺陷，可以用C扫描检测。DIC和兰姆波可以记录修补区域在拉伸载荷下的损伤扩展。对由在线技术得到的特征与阶段损伤的相关性进行了讨论。这些结论同X射线与超声C扫描（离线技术）对比，以确定加载后的损伤。使用有限元应力结果确定最佳修补结构
15、的应力区域。2. 实验方法 现在已研究了挖补法与贴补法在拉伸载荷下的性能。修补分析前，应测试有孔和无孔试样的拉伸强度，随后与修补板的强度比较。此外，也可以在试样上安装应变仪以测试材料性能。数字图像相关技术（DIC）可以分析有孔试样的损伤与裂纹扩展，也能检测拉伸载荷下修补板上补片的性能。除过DIC，使用压电传感器的兰姆波也能分析挖补片的性能。将DIC和兰姆波在线分析技术的结果与超声C扫描和X射线技术比较。2.1样品的准备和测试过程2.1.1挖补胶接修补从以前的研究来看，挖补法用在碳纤维增强复合材料的冲击损伤处29，见图1.正面的损伤区域大约是直径13mm，而背面的损伤区域是25mm长25mm宽。 (a) (b)图1 冲击后的CFRP板：（a）正面（b）背面，面板图像放大 板材是由郝氏公司的韧性环氧树脂（M21）同于雷尔伊斯帕诺的纤维体积分数为58%的碳纤维编织布（2/2斜纹布）制得。板材的铺层顺序是(0/90/45/0/90)3 T ，总厚度是2.8mm。冲击测试后，受损区域用锥形纱均匀攻丝机（椭圆形）去除，损伤区域周围用旋转垫光机模拟损伤区域的空隙。从板材上切下试样以得到材料有孔和无孔的拉伸强度，与材料的弹性。为了设计拉伸试件，单向和编织层合板的拉伸测试用ASTM D3039标准。无孔试样是175mm长30mm宽，为了模拟损
