復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)探究

劉巖松 張子健 宋曉晨 王童 滕飛

摘要：復(fù)合材料因具有減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、可降低油耗和提高飛行性能等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。飛機在生產(chǎn)和服役過程中不可避免地會出現(xiàn)缺陷和損傷，因此對復(fù)合材料修理的探究變得尤為重要。本文介紹了復(fù)合材料無損檢測方法、常見損傷缺陷及復(fù)合材料修理方法，分析了復(fù)合材料修理技術(shù)與理論的研究現(xiàn)狀和存在問題，展望了復(fù)合材料修理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;缺陷;損傷;修理技術(shù)

0引言

近年來，隨著民航領(lǐng)域的快速發(fā)展，各大航空公司機隊規(guī)模逐漸擴大，復(fù)合材料用量呈明顯遞增趨勢，其用量和比例已成為衡量飛機是否先進的重要標準之一^[1]。波音公司、空中客車公司生產(chǎn)的新型大型民用飛機的復(fù)合材料用量不斷增加，空客新一代超寬體客機A350XWB復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)總重的比例將達到52%，圖1給出了波音和空客部分機型的復(fù)合材料用量。

由于復(fù)合材料普遍存在層間性能弱、易受沖擊損傷等缺點，在服役期間易受到擠壓、超載、沖擊和環(huán)境等因素的影響造成損傷，從而影響復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)性能。因此，復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用對其缺陷損傷修理提出迫切要求。王長越等^[2]闡述了因沖擊載荷造成損傷的復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的研究進展，分別從沖擊損傷評估、無損檢測和修復(fù)技術(shù)三方面介紹了國內(nèi)外研究進展，并展望了沖擊損傷下復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展前景。徐緋等^[3]通過總結(jié)歸納前人在復(fù)合材料修理方面的理論知識，總結(jié)出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理問題的現(xiàn)狀。

1復(fù)合材料常見缺陷及損傷修理容限

1.1常見典型損傷和缺陷

生產(chǎn)過程中工藝控制不當(dāng)、在服役過程中受到物體沖擊或受環(huán)境條件影響，這些因素都會造成復(fù)合材料的損傷或缺陷。表1給出了復(fù)合材料在制造和使用中的常見缺陷和損傷。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理流程圖如圖2所示。

1.2損傷容限與修理容限

修理容限指的是兩個定量的界限，在復(fù)合材料修理中即表述為出現(xiàn)缺陷或損傷后需不需修、能不能修。結(jié)構(gòu)的損傷容限是指損傷范圍從閾值到臨界值，以確定損傷結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期間是否具有足夠的剩余強度。修理工藝水平和經(jīng)濟因素決定了修理容限。圖3給出了兩者之間的關(guān)系。

2無損檢測方法

在確定修復(fù)前，必須對損傷和缺陷進行檢查和評估。對于表面損傷，如劃痕和擦傷，可以使用目視檢查來確定損傷的面積和程度。對于脫膠分層等內(nèi)部缺陷和損傷，目視檢查可以初步確定損傷部位和面積，然后通過無損檢測方法來準確確定損傷區(qū)域。表2列出了不同檢驗方法可檢的缺陷和損傷以及試驗結(jié)果的可靠性。不同的檢測方法適用于不同的缺陷和損傷檢查。

3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法

飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法有很多種，其分類的方法也有很多種。在實際的飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中，常用的修理方法主要有鋪層修理、注膠與填膠修理、膠接修理和機械修理四大類。

3.1鋪層修理

鋪層修理是指將損傷部位打磨切除后，采用濕鋪層或預(yù)浸料對其重新鋪層，經(jīng)過自然固化或者通過輔助加熱設(shè)施加熱到某一溫度實施固化的修理方法。鋪層修理是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中最具代表性的修理方法。在實際工作中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可修理損傷大多數(shù)需要采用鋪層修理法實施修理。

3.2注膠與填膠修理

注膠修理是指當(dāng)層合板結(jié)構(gòu)或夾芯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小面積的內(nèi)部分層或脫膠損傷時，將滲透性和流動性好的低黏度樹脂注入到分層或脫粘區(qū)域并使之固化粘合的一種膠接修理方法。

填膠修理是將樹脂膠或其他填料填充或灌注到損傷區(qū)以恢復(fù)其結(jié)構(gòu)完整性的一種修理方法，通常在一些裝飾性結(jié)構(gòu)和受載較小的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上使用。修復(fù)的主要形式有表面劃痕、凹坑、部分蜂窩芯損壞、孔位置錯誤、孔尺寸過大。

3.3膠接連接修理

通過使用膠粘劑將被修補結(jié)構(gòu)與補片共同固化連接在一起的復(fù)合補片的修復(fù)方法稱為膠接修復(fù)，以確保損壞的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整，完成載荷轉(zhuǎn)移的修復(fù)。在實際工作中，膠接修補是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補使用最多的修補方法，根據(jù)補片膠接方式不同，又可分為貼補法和挖補法兩種，如圖4所示。

1）貼補法

貼補法是指在去除損傷結(jié)構(gòu)后，在缺陷部位表面附著固定補片，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性、使用性能及承載力學(xué)性能的一種膠接修補手段。根據(jù)補片粘貼位置，貼補法可以分為單面貼補和雙面貼補。由于其對操作設(shè)備要求不高，具有操作簡單、周期短等優(yōu)點，該方法多用于外場臨時性修理，但由圖4可知貼補法不能應(yīng)用于對氣動外形要求較高的部位的修理。

相超、周麗等^[4]基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和粘聚區(qū)模型建立了修補復(fù)合材料層合板的漸進損傷分析模型，計算了貼補修復(fù)后拉伸載荷下的極限強度，研究了補片復(fù)合材料的損傷演化過程，并討論了補片參數(shù)對修補后拉伸性能的影響，得出不同破壞模式下補片參數(shù)的改變對其力學(xué)性能的影響。當(dāng)主要破壞模式是補片破壞時，補片的直徑對修補結(jié)構(gòu)的極限強度影響不大;當(dāng)破壞模式是膠層破壞時，補片直徑的增大可顯著提高修補的極限強度。分析原因為當(dāng)補片直徑較小時，膠層剝離應(yīng)力較大，此時膠層容易首先失效;補片直徑逐漸增大，膠層剝離應(yīng)力隨之降低，不易失效，故修補結(jié)構(gòu)的極限強度隨著補片直徑的增大而明顯提高，如圖5所示。

2）挖補法

挖補法是先將損傷和缺陷部位去除，再在損傷部位填以新材料的一種膠接方法。根據(jù)去除損傷時打磨手段不同又可分為斜接法和階梯法。相較于貼補法，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過挖補修理后，膠接面的膠層剪切應(yīng)力較為均勻，且能保持較好的氣動外形。因此，挖補法多用于曲率較大、對承載及氣動外形要求較高的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。不過，由于挖補所需周期較長，操作流程較復(fù)雜，對工作人員水準和穩(wěn)定性要求較高，因此挖補法一般為場內(nèi)修理，是一種適用于損傷面積大、受損嚴重的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的永久修理方法。

汪源龍、程小全等^[5]采用了三維損傷累積模型與試驗相結(jié)合的方式研究了修理后的復(fù)合材料層合板的拉伸性能，探討了挖補角對修復(fù)后層合板力學(xué)性能的影響，得出挖補修理中膠層失效載荷隨挖補角的增大而減小。同時分析了層合板挖補修復(fù)后受拉伸性能的影響、膠層失效后傳力路徑的變化，得到在膠層完全破壞后損傷會沿母版最窄處向兩側(cè)自由邊迅速擴展。紀朝輝、劉闊等^[6]研究了當(dāng)挖補修補結(jié)構(gòu)不同時斜接法對挖補修理后力學(xué)性能變化的影響，分別對斜坡比為1：10、1：20、1：30和1：40的層合板進行拉伸破壞試驗，得出當(dāng)斜坡比為1：30時采用斜接法修補抗拉強度最好，同時總結(jié)了斜接法修補后的斷裂位置特征，得出斷裂類型主要有脫膠斷裂和補片斷裂兩種。

3.4機械連接修理

機械連接修理通常是指用螺接或鉚接的方式進行修理，如圖6所示，即在損傷部位的外部用螺栓或鉚釘固定補片，使損傷結(jié)構(gòu)遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復(fù)的一種修理方法，其優(yōu)點在于操作簡單、施工迅速、對表面處理要求不高。但由于機械連接修理需要在原損傷區(qū)域周圍打孔，易造成新的應(yīng)力集中，可能影響整體結(jié)構(gòu)壽命并改變原有的氣動外形。

4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，隨著復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料不僅在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在船舶、化工、交通運輸、建筑、化工等各個領(lǐng)域的應(yīng)用也愈見拓展，國內(nèi)外對于復(fù)合材料的研究日益增多。

4.1復(fù)合材料膠接修理研究現(xiàn)狀

A.A.Baker博士^[7]討論了復(fù)合材料粘接修復(fù)的優(yōu)點，首次提出了一種用復(fù)合材料補片修補受損飛機金屬結(jié)構(gòu)的方案，即將貼片連接到受損區(qū)域，改善損傷的應(yīng)力分布，減少損傷和裂紋的擴展速率，以增加結(jié)構(gòu)強度和剩余壽命。J.J.Schubbe^[8]研究了復(fù)合材料單面修補中補片尺寸對其結(jié)構(gòu)疲勞的影響，指出補片長度的增加可以減少補膠脫膠的可能性，延長修補結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，但同時也會增加結(jié)構(gòu)的整體重量，導(dǎo)致粘膠層過早脫膠。Chung和yang^[9]通過三維有限元建模以及試驗探討了復(fù)合材料補片單面膠接修理裂紋的擴展，指出在貼片邊緣處應(yīng)力強度因子迅速減小，當(dāng)裂紋擴展速度接近貼片長度時，裂紋擴展速率將在短時間內(nèi)減小，但隨著補片長度的增加，由于補片脫粘及試件其余部分承載能力的減弱，這種情況不會再發(fā)生;此外，當(dāng)補片長度為裂紋長度1.5倍時，壽命延長最為顯著。鄧志康等^[10]通過改進Zinoview剛度退化模型，結(jié)合Shkrieh改進的三維Hashin準則，利用ANSYS有限元軟件選用INTER205單元對膠層進行模擬，建立了含孔復(fù)合材料層合板雙面貼補漸進損傷失效模型，指出增大補片尺寸可以明顯提高結(jié)構(gòu)修補強度，這與文獻[8]中J.J.Schubbe所得結(jié)論基本一致，同時還指出當(dāng)補片修補厚度為母板1/2時，承載拉應(yīng)力最強。

4.2復(fù)合材料機械連接修理研究現(xiàn)狀

聶恒昌^[11]等通過機械連接修理的方法修復(fù)了含圓孔損傷的復(fù)合材料層合板，并通過軸向拉伸試驗驗證其修理可行性，得到通過機械連接修補方法強度恢復(fù)率約可達到55%～60%的結(jié)論。樊建平^[12]等借助ANSYS有限元軟件中的參數(shù)化設(shè)計語言APDL模塊研究了層合板機械連接處的破壞過程并模擬過程。P.J.Gray^[13]研究了偏心載荷對單搭接和雙搭接接觸行為的影響，并研究了金屬結(jié)構(gòu)的變形對螺釘載荷分配的影響。

5存在問題

近年來，對復(fù)合材料修理技術(shù)的研究逐漸增多，在理論研究和實際工作中均取得了很大進展。但由于我國復(fù)合材料修理發(fā)展晚于國外，在某些技術(shù)突破及修理關(guān)鍵技術(shù)方面仍然存在一些問題，對國外修理技術(shù)仍然存在依賴性。同時，復(fù)合材料高尖端修理技術(shù)使用的航材均依靠進口，國內(nèi)的復(fù)合材料制造產(chǎn)業(yè)也與國外有一定差距。綜合來看，主要存在以下幾方面問題：

1）由于復(fù)合材料受力各向異性，修補質(zhì)量受多方面因素影響，一些關(guān)鍵技術(shù)依賴工作經(jīng)驗。

2）在外場工作時，環(huán)境因素對修補結(jié)果有很大影響，難以保證力學(xué)性能，需要工作人員認真對待。

3）現(xiàn)有研究成果仍然難以滿足實際工程需求，理論研究與實際工程存在一定區(qū)別，應(yīng)在理論研究的基礎(chǔ)上更注重解決實際工程問題。

6總結(jié)與展望

隨著高性能復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用，復(fù)合材料修理技術(shù)日趨成熟，在復(fù)合材料理論方面研究成果也更加豐富。在當(dāng)前航空航天領(lǐng)域發(fā)展迅猛趨勢下，我國未來幾年在復(fù)合材料修理技術(shù)領(lǐng)域有望取得更大的突破。在完善與充分利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)不斷汲取新技術(shù)，向高質(zhì)量、低成本、一體化方向發(fā)展;應(yīng)加快健全國內(nèi)復(fù)合材料修理規(guī)范與標準，盡快實現(xiàn)復(fù)合材料數(shù)字化修理、修理工具及原材料國產(chǎn)化，將理論研究與實際工程相結(jié)合，成熟健全的修理技術(shù)是復(fù)合材料應(yīng)用于各個領(lǐng)域的有力保障;開展復(fù)合材料修理標準化科學(xué)框架研究，大幅度提高修理效率，促進航空領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

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