復(fù)合材料修補(bǔ)金屬裂損結(jié)構(gòu)吸濕老化的試驗(yàn)與有限元分析

王 躍

(空軍研究院， 北京 100085)

由于含有對(duì)水分子有吸引力的親水化合物，環(huán)氧樹(shù)脂膠層容易遭受潮濕空氣的侵害，膠層吸收的濕氣可以看作塑化劑、溶解/水解劑。對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂膠層，塑性和膨脹的影響是可逆的，而微裂紋、水解性能等影響是不可逆的，這些行為都造成了膠層熱性能、力學(xué)性能、化學(xué)和物理性能等的退化。Parker[1]以碳纖維/增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料膠接接頭為研究對(duì)象，在50 ℃、相對(duì)濕度為95%的條件下進(jìn)行了3年的環(huán)境試驗(yàn)，研究吸濕性對(duì)膠接接頭性能的影響發(fā)現(xiàn)，膠接接頭的破壞主要分布于復(fù)合材料膠接處或搭接膠層處，破壞主要取決于膠層。Megueni等[2]分析了碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料“濕-熱”老化對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子線(xiàn)性增加，并建議在補(bǔ)片設(shè)計(jì)時(shí)要考慮材料老化造成的復(fù)合材料強(qiáng)度損失。任三元等[3]針對(duì)復(fù)合材料膠補(bǔ)結(jié)構(gòu)編制環(huán)境加速譜進(jìn)行相應(yīng)的鹽霧老化試驗(yàn)，利用小樣本試驗(yàn)結(jié)果和更正系數(shù)計(jì)算了復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷鹽霧老化試驗(yàn)后的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。

高溫、高濕是沿海地區(qū)航空設(shè)備服役環(huán)境的顯著特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)合材料膠補(bǔ)金屬裂損結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料補(bǔ)片延緩疲勞裂紋擴(kuò)展的效率以及提高結(jié)構(gòu)承載載荷的能力隨著暴露在“濕-熱”環(huán)境中時(shí)間的增加而不斷下降，因此對(duì)“濕-熱”環(huán)境條件下復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的老化現(xiàn)象與該結(jié)構(gòu)修補(bǔ)效果、耐久性能之間進(jìn)行的分析與研究，對(duì)保證此類(lèi)結(jié)構(gòu)日常使用的安全性非常重要[3-4]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究并不多見(jiàn)，因此本文通過(guò)試驗(yàn)與有限元仿真相結(jié)合的方法，研究了吸濕性對(duì)復(fù)合材料膠補(bǔ)金屬裂損結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)“濕-熱”試驗(yàn)確定復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠層的破壞模式以及膠層的彈塑性能變化，基于J積分理論和損傷區(qū)域理論評(píng)估了吸濕性對(duì)修補(bǔ)試驗(yàn)件修補(bǔ)效果和耐久性的影響。

1 試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 復(fù)合材料膠補(bǔ)試驗(yàn)件“濕-熱”老化試驗(yàn)與結(jié)果分析

文獻(xiàn)[5-6]利用復(fù)合材料對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)，之后放置于40 ℃恒溫蒸餾水中，當(dāng)浸水時(shí)間為40天時(shí)，修補(bǔ)結(jié)構(gòu)吸水飽和，整體質(zhì)量不再增加。因此，本文以文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的試驗(yàn)方法為參考，將含雙邊裂紋鋁合金板玻璃纖維單面膠補(bǔ)試驗(yàn)件浸入蒸餾水中，并置于40 ℃的恒溫箱中保存40天，評(píng)估吸濕性對(duì)復(fù)合材料膠補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，并確定膠補(bǔ)試驗(yàn)件膠層的失效模式。本試驗(yàn)共制備了14件復(fù)合材料膠接修補(bǔ)試驗(yàn)件，復(fù)合材料膠補(bǔ)修補(bǔ)試驗(yàn)件補(bǔ)片尺寸、膠補(bǔ)工藝等參照文獻(xiàn)[7-10]，將復(fù)合材料膠補(bǔ)試驗(yàn)件分為兩組，每組試驗(yàn)件的數(shù)量為7，一組進(jìn)行“濕-熱”老化試驗(yàn)，另一組干燥處理進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)?！皾?熱”老化試驗(yàn)后分別進(jìn)行試驗(yàn)件的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和單向靜拉伸試驗(yàn)。由于試驗(yàn)件數(shù)量的限制，含雙邊裂紋未修補(bǔ)試驗(yàn)件只剩6件，將3件進(jìn)行單向靜拉伸試驗(yàn)，3件進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，用來(lái)對(duì)比“濕-熱”老化前后的修補(bǔ)效果。

圖1 未修補(bǔ)試驗(yàn)件、未老化修補(bǔ)試驗(yàn)件和老化修補(bǔ)試驗(yàn)件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Cycles of fatigue load for specimens without patches, specimens with patches and specimens with patches immersion in water

圖2 未修補(bǔ)試驗(yàn)件、未老化修補(bǔ)試驗(yàn)件和老化修補(bǔ)的載荷-位移曲線(xiàn)Fig.2 Curves of loading-displacement of specimens without patches, specimens with patches and specimens with patches immersion in water

圖1和圖2分別為含穿透雙邊裂紋未修補(bǔ)試驗(yàn)件、含穿透雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件和“濕-熱”老化試驗(yàn)40天后含穿透雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果(裂紋長(zhǎng)度隨疲勞載荷循環(huán)數(shù)變化的曲線(xiàn)，疲勞載荷加載波形為正弦波，最大載荷為含裂紋未修補(bǔ)試驗(yàn)件極限載荷的50%，基準(zhǔn)應(yīng)力比為0.1，頻率為10 Hz)和單向靜拉伸試驗(yàn)結(jié)果，單向靜拉伸試驗(yàn)方法與文獻(xiàn)[10]方法一致。從圖1中可以看出，未老化含雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件斷裂時(shí)的疲勞壽命裂紋擴(kuò)展平均值提高了2.3倍，而老化含穿透雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命平均值提高了1.5倍，下降為老化試驗(yàn)前的0.71倍，這說(shuō)明經(jīng)復(fù)合材料修補(bǔ)后，含損傷飛機(jī)結(jié)構(gòu)的服役壽命顯著提高；復(fù)合材料修補(bǔ)金屬裂損結(jié)構(gòu)在吸濕后疲勞性能發(fā)生了很大變化，吸濕明顯縮短了復(fù)合材料修補(bǔ)金屬裂損結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，降低了膠接修補(bǔ)的效果。含穿透雙邊裂紋修補(bǔ)未老化試驗(yàn)件與含穿透雙邊裂紋修補(bǔ)老化試驗(yàn)件兩條邊的裂紋長(zhǎng)度都發(fā)生了擴(kuò)展，其中裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度增加較大的一條稱(chēng)為主裂紋，擴(kuò)展長(zhǎng)度增加較短的一條稱(chēng)為從裂紋。

從圖2中可以看出，經(jīng)復(fù)合材料補(bǔ)片修補(bǔ)后，含穿透雙邊裂紋鋁合金板的極限強(qiáng)度有較大的提高，修補(bǔ)后極限強(qiáng)度的平均值比未修補(bǔ)前提高了15.3%，這就是復(fù)合材料修補(bǔ)后疲勞裂紋擴(kuò)展壽命明顯增加的原因。吸濕后的修補(bǔ)結(jié)構(gòu)補(bǔ)片與膠層之間產(chǎn)生了內(nèi)部應(yīng)力，老化含穿透雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件的極限強(qiáng)度要低于未老化修補(bǔ)試驗(yàn)件，極限強(qiáng)度平均值下降為未老化前的90%，但高于未修補(bǔ)試驗(yàn)件。

圖3(a)和圖3(b)分別為老化試驗(yàn)前后復(fù)合材料修補(bǔ)金屬裂損結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件脫膠區(qū)域的局部放大圖。通過(guò)對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，未老化修補(bǔ)試驗(yàn)件膠層的破壞模式以?xún)?nèi)聚破壞為主，說(shuō)明采用的膠補(bǔ)工藝滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，而老化試驗(yàn)后的修補(bǔ)試驗(yàn)件膠層則以界面破壞為主。而復(fù)合材料補(bǔ)片完好，未發(fā)現(xiàn)損傷。由此可以推斷，在復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)吸濕過(guò)程中，膠黏劑不斷老化變性，使金屬修補(bǔ)區(qū)域與復(fù)合材料補(bǔ)片之間黏合力持續(xù)下降，最終造成了修補(bǔ)區(qū)域與復(fù)合材料補(bǔ)片的提前脫膠。因此可以認(rèn)為，造成修補(bǔ)試驗(yàn)件修補(bǔ)效果下降的主要原因是膠層的老化變性。

(a) 未老化含雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件(a) Repaired specimens before immersion

(b) 老化含雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件(b) Repaired specimens immersion in water for 40 days圖3 不同試驗(yàn)件鋁合金板脫膠區(qū)域的局部放大圖(50×)Fig.3 Partial enlarged detail of de-bonded zone of different specimens(50×)

1.2 膠黏劑試驗(yàn)件“濕-熱”老化試驗(yàn)與結(jié)果分析

通過(guò)上一節(jié)分析，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料修補(bǔ)試驗(yàn)件經(jīng)歷“濕-熱”老化試驗(yàn)后，修補(bǔ)效果的下降很大程度上取決于膠層的老化程度，膠層的老化甚至導(dǎo)致了復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠層破壞模式的改變，因此，參照復(fù)合材料修補(bǔ)試驗(yàn)件的“濕-熱”老化試驗(yàn)方法以及ASTM D1183-70(1981)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行膠黏劑試驗(yàn)件的“濕-熱”老化試驗(yàn)，研究吸濕性對(duì)膠黏劑性能的影響。

膠黏劑試驗(yàn)件制作過(guò)程如圖4所示。共制作了28件膠黏劑試驗(yàn)件，分別在40 ℃蒸餾水中進(jìn)行浸水0天、1天、5天、10天、20天、30天、40天的7組環(huán)境試驗(yàn)，每組試驗(yàn)件的數(shù)量為4。對(duì)不同老化程度的28件E44膠黏劑試驗(yàn)件進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)，不同浸水時(shí)間下膠黏劑試驗(yàn)件的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著吸濕時(shí)間的增加，膠層極限強(qiáng)度急劇下降，浸水時(shí)間對(duì)膠層力學(xué)性能的影響較大。在浸水10天后，膠黏劑的極限強(qiáng)度下降為未浸水時(shí)的51%，彈性模量也下降為原來(lái)的45%。在浸水時(shí)間超過(guò)20天后，彈性模量下降為未老化試驗(yàn)件的40%，極限強(qiáng)度下降為未老化試驗(yàn)件的43%。在浸水30天以及40天后，膠黏劑試驗(yàn)件的力學(xué)性能變化不大，說(shuō)明膠黏劑試驗(yàn)件吸水飽和，其塑性應(yīng)變超過(guò)了總應(yīng)變的25%。

圖4 “濕-熱”老化試驗(yàn)的膠黏劑試驗(yàn)件制作過(guò)程Fig.4 Process of making adhesive specimens for hydrothermal aging test

對(duì)于含穿透雙邊裂紋鋁合金板復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料補(bǔ)片延緩疲勞裂紋擴(kuò)展的效率隨著暴露在“濕-熱”環(huán)境中時(shí)間的增加而不斷下降，濕氣造成膠層強(qiáng)度和剛度性能衰減，導(dǎo)致鋁合金板膠層界面的脫膠和補(bǔ)片的侵蝕?？梢酝茢?，當(dāng)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)受到較大拉伸載荷時(shí)，未老化試驗(yàn)件的膠層處于彈性階段，而吸濕后的老化試驗(yàn)件膠層卻發(fā)生較大塑性變形，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定值時(shí)，膠層將發(fā)生破壞，最終導(dǎo)致復(fù)合材料補(bǔ)片的脫落。因此，可以通過(guò)建立修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的有限元模型，以膠層前后的材料性能變化為依據(jù)，通過(guò)膠層塑性區(qū)尺寸以及裂紋尖端J積分為損傷依據(jù)，分析吸濕對(duì)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)耐久性和修補(bǔ)效果的影響。

圖5 不同浸水時(shí)間下膠黏劑試驗(yàn)件的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.5 Stress-strain curve of adhesive epoxy for different days of immersion in water

2 數(shù)值仿真分析

對(duì)含穿透雙邊裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件進(jìn)行三維數(shù)值建模使用的是商業(yè)有限元軟件ABAQUS?？紤]金屬板的彈塑性能，采用C3D20R單元(20節(jié)點(diǎn)六面體二次減縮積分單元)進(jìn)行仿真，裂紋使用Seam穿透型裂紋模擬，厚度方向設(shè)置為6層，裂紋尖端按照網(wǎng)格密度為0.1 mm進(jìn)行細(xì)化；采用C3D8R單元(8節(jié)點(diǎn)六面體二次減縮積分單元)模擬膠層，膠層厚度為0.1 mm；采用SC8R單元(4節(jié)點(diǎn)連續(xù)殼單元)仿真復(fù)合材料補(bǔ)片。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)三維模型的全局種子大小設(shè)置為3 mm，修補(bǔ)區(qū)域的金屬、膠層及補(bǔ)片種子大小設(shè)置為1 mm。膠層與金屬板修補(bǔ)區(qū)域、復(fù)合材料補(bǔ)片之間采用綁定約束，這種約束是將三者界面節(jié)點(diǎn)的自由度完全綁定，可以很好地模擬三者的協(xié)調(diào)變形關(guān)系。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的邊界條件為金屬基板一端固定，一端施加載荷?！皾?熱”老化試驗(yàn)后修補(bǔ)試驗(yàn)件的有限元模型建立如圖6所示，由于“濕-熱”老化的作用，膠層的性能參數(shù)發(fā)生了變化，膠層的彈塑性能參數(shù)由圖5獲得。

(a) 有限元模型的網(wǎng)格劃分和全局坐標(biāo)系 (a) Meshing and global coordinates

(b) 邊界條件和局部坐標(biāo)系(b) Boundary conditions and local coordinates圖6 含穿透裂紋修補(bǔ)試驗(yàn)件有限元模型Fig.6 Finite element model of repaired specimens

2.1 損傷區(qū)域理論簡(jiǎn)介

損傷區(qū)域理論假設(shè)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中膠層的破壞和鋁合金板的裂紋起始發(fā)生在損傷區(qū)域出現(xiàn)之后。采用合適的失效準(zhǔn)則，通過(guò)判斷單元的失效參數(shù)是否達(dá)到了單元失效的臨界值來(lái)定義損傷區(qū)域[10-11]。有限元分析模型中膠層為強(qiáng)化塑性材料，其經(jīng)歷的是韌性斷裂破壞。因此，膠層破壞失效準(zhǔn)則采用等效Von Mises應(yīng)變準(zhǔn)則[12-13]，即：

(1)

式中：εequiv為等效塑性應(yīng)變，即為ABAQUS程序中的等效塑性應(yīng)變參數(shù)[14-15]；εpi為不同主方向的塑性應(yīng)變；ν為泊松比。當(dāng)材料的最大主應(yīng)變達(dá)到極限主應(yīng)變時(shí)，失效準(zhǔn)則有效，定義極限應(yīng)變后，其失效對(duì)應(yīng)的損傷區(qū)域尺寸隨之確定。修補(bǔ)試驗(yàn)件中膠層的損傷破壞可以使用失效區(qū)域比例方法來(lái)預(yù)測(cè)[16]。損傷區(qū)域比例DR可以用下式來(lái)計(jì)算:

(2)

式中，Ai為膠層中有效塑性變形超過(guò)7.789×10-3的面積，ladhesive和wadhesive分別為膠層的長(zhǎng)度和寬度。對(duì)未浸入水中的修補(bǔ)試驗(yàn)件施加極限強(qiáng)度，有限元模型得到的損傷區(qū)域分布如圖7所示，此時(shí)膠層的損傷區(qū)域比例DR達(dá)到了0.247，為損傷區(qū)域比例的臨界值，即損傷區(qū)域比例達(dá)到此臨界值時(shí)，膠層完全失效。

圖7 未老化修補(bǔ)試驗(yàn)件施加極限強(qiáng)度時(shí)膠層損傷區(qū)域分布Fig.7 Plastic zone of adhesive of repaired structure before immersion in water

2.2 “濕-熱”老化試驗(yàn)后膠層損傷區(qū)域的有限元分析

利用損傷區(qū)域理論對(duì)“濕-熱”環(huán)境后復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠層的損傷區(qū)域進(jìn)行了研究。首先計(jì)算100 MPa載荷條件下修補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠層的損傷區(qū)域尺寸，圖8(a)和圖8(b)分別為未浸入水中和浸入水中40天后主裂紋長(zhǎng)度amain=2 mm時(shí)的膠層損傷區(qū)域分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，膠層局部損傷區(qū)域主要集中于裂紋尖端附近和膠接邊緣區(qū)域，且裂紋尖端附近區(qū)域更為嚴(yán)重，膠接邊緣區(qū)域的損傷區(qū)域相對(duì)較小，這主要是因?yàn)槟z接邊緣區(qū)域的應(yīng)力集中不足以產(chǎn)生較大的損傷區(qū)域。裂紋尖端附近區(qū)域的局部損傷區(qū)域會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域膠層的提前破壞，但對(duì)邊緣區(qū)域膠層影響較小。而膠層大部分區(qū)域未產(chǎn)生損傷，裂紋板與補(bǔ)片之間傳遞力的路線(xiàn)仍然穩(wěn)定。通過(guò)本文模型分析，可以確定在裂紋位置區(qū)域的膠層損傷會(huì)沿著膠層進(jìn)行擴(kuò)展，最終導(dǎo)致基板與復(fù)合材料補(bǔ)片連接處的破壞。膠層的吸濕增加，提高了膠層的延展性能，但高延展性能造成了膠層的嚴(yán)重?fù)p傷。根據(jù)圖8的結(jié)果，相比于膠層膠接邊緣處的損傷區(qū)域，吸濕性對(duì)膠層裂紋尖端附近的損傷區(qū)域影響更大，此時(shí)未浸水與浸水40天后裂紋膠層附近的損傷區(qū)域都比較小。

(a) 老化時(shí)間為0天(a) Before immersion in water

(b) 老化時(shí)間為40天(b) Immersion in water for 40 days圖8 主裂紋長(zhǎng)度為2 mm時(shí)不同老化時(shí)間下膠層損傷區(qū)域分布Fig.8 Plastic zone of adhesive when main crack length is 2 mm after immersion in water for different days

對(duì)于主裂紋長(zhǎng)度amain=10 mm時(shí)，情況發(fā)生了變化，圖9(a)和圖9(b)為主裂紋長(zhǎng)度amain=10 mm時(shí)，未浸水與浸水40天的膠層損傷區(qū)域分布圖。從圖中可以看出，無(wú)論是浸水40天還是未浸水，膠層邊緣區(qū)域和裂紋尖端附近的損傷區(qū)域尺寸都很明顯。對(duì)于裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況，吸濕性增加了膠層破壞的危險(xiǎn)。這是由于隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，更高的應(yīng)力從裂紋板傳遞到了膠層，導(dǎo)致膠層的塑性變形增大，使膠層在邊緣區(qū)域和裂紋尖端附近區(qū)域產(chǎn)生了更大面積的局部損傷。由于主裂紋與從裂紋之間的干涉效應(yīng)，膠層的損傷區(qū)域位置發(fā)生了變化，主要集中于主裂紋的裂紋尖端附近及膠層邊緣。

(a) 老化時(shí)間為0天(a) Before immersion in water

(b) 老化時(shí)間為40天(b) Immersion in water for 40 days圖9 主裂紋長(zhǎng)度為10 mm時(shí)不同老化時(shí)間下膠層損傷區(qū)域分布Fig.9 Plastic zone of adhesive when main crack length is 10 mm after immersion in water for different days

為更深入地理解吸濕性對(duì)復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)耐久性的影響，繪出了不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)損傷區(qū)域比例DR隨浸水時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖，如圖10所示。當(dāng)主裂紋長(zhǎng)度amain=2 mm時(shí)，損傷區(qū)域比例DR隨浸水時(shí)間變化如圖10黑色曲線(xiàn)所示，隨著浸水時(shí)間的增加，損傷區(qū)域面積一直呈增加的趨勢(shì)，這說(shuō)明當(dāng)裂紋長(zhǎng)度較短時(shí)，吸濕性對(duì)膠層損傷的影響也較大。與損傷區(qū)域比例臨界值(DR=0.247)相比，浸水10天以后的損傷面積不可忽略，因此即使裂紋長(zhǎng)度較短時(shí)，“濕-熱”環(huán)境造成的膠層失效是不可忽略的。裂紋長(zhǎng)度amain=6 mm時(shí)損傷區(qū)域比例DR隨浸水時(shí)間的變化如圖10 紅色曲線(xiàn)所示，由圖中可以看出，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，吸濕性對(duì)膠層損傷的影響也成倍增加，浸水時(shí)間在10天以?xún)?nèi)時(shí)，隨浸水時(shí)間的增加，損傷區(qū)域比例增加幅度較大，當(dāng)浸水時(shí)間超過(guò)10天以后，損傷區(qū)域比例緩慢增加，損傷區(qū)域比例在浸水10天之后達(dá)到臨界值，此時(shí)吸濕性對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)耐久性危害極大。圖10中綠色曲線(xiàn)為裂紋長(zhǎng)度amain=10 mm時(shí)損傷區(qū)域比例DR隨浸水時(shí)間的變化情況，由圖中可以看出，即使浸水1天，其損傷區(qū)域比例也超過(guò)了臨界值，而且隨著浸水時(shí)間的增加，損傷區(qū)域比例逐漸增大，當(dāng)浸水時(shí)間超過(guò)20天后，損傷區(qū)域比例基本為一常數(shù)。損傷區(qū)域比例與浸水時(shí)間呈漸近線(xiàn)的關(guān)系是由于吸水作用存在一個(gè)飽和的塑性應(yīng)變，最終導(dǎo)致膠層的失穩(wěn)破壞。

圖10 不同主裂紋長(zhǎng)度時(shí)損傷區(qū)域比例隨浸水時(shí)間變化的曲線(xiàn)Fig.10 Damage zone ratio versus time of immersion for different main crack length

2.3 “濕-熱”老化試驗(yàn)后修補(bǔ)結(jié)構(gòu)J積分的有限元分析

以黏接補(bǔ)片面裂紋尖端的J積分為修補(bǔ)效果的指標(biāo)，分析不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)，吸濕性對(duì)修補(bǔ)效果的影響，如圖11所示。圖11中黑色曲線(xiàn)為主裂紋長(zhǎng)度amain=2 mm時(shí)J積分隨浸水時(shí)間變化的曲線(xiàn)，從圖中可以看出，當(dāng)浸水時(shí)間在5天以?xún)?nèi)時(shí)，裂紋尖端的J積分幅值變化較小，因此當(dāng)裂紋長(zhǎng)度較短時(shí)，浸水時(shí)間少于5天時(shí)對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果影響不大，這是由于浸水時(shí)間少于5天時(shí)，膠層的延展性一直較小，對(duì)裂紋尖端J積分的影響較小。浸水時(shí)間超過(guò)5天后，J積分值顯著增加，到浸水時(shí)間為40天時(shí)，其值由0.46 MPa·mm增加到了0.63 MPa·mm。此時(shí)，J積分的增加量對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的影響較小，這是因?yàn)榇藭r(shí)的裂紋尺寸不足以加速疲勞裂紋的擴(kuò)展，這一點(diǎn)與Benyahia[12]的結(jié)論是一致的。當(dāng)浸水時(shí)間較短時(shí)，吸水性對(duì)裂紋尖端的J積分和應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響可以忽略；當(dāng)浸水時(shí)間在10～30天變化時(shí)，隨著時(shí)間的增加，吸濕性對(duì)修補(bǔ)效果的影響明顯，在這段時(shí)間內(nèi)，J積分隨浸水時(shí)間的增加呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)。

圖11 不同主裂紋長(zhǎng)度時(shí)J積分隨浸泡時(shí)間變化的曲線(xiàn)Fig.11 J integral versus time of immersion for different main crack length

圖11中紅色曲線(xiàn)為裂紋長(zhǎng)度amain=6 mm 時(shí)J積分隨浸水時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖，從圖中可以看出，當(dāng)浸水時(shí)間在10天以?xún)?nèi)時(shí)，吸濕性對(duì)J積分的影響不明顯。浸水時(shí)間超過(guò)10天后，吸濕性的影響逐漸增加，到浸水40天時(shí)，裂紋尖端J積分值達(dá)到1.4 MPa·mm，此時(shí)會(huì)嚴(yán)重縮短修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，降低修補(bǔ)效果。其可能的原因是，隨著浸水時(shí)間的增加，膠層的強(qiáng)度下降，延展性能增加，削弱了膠層抗剪切的能力，最終削弱了膠接區(qū)域抵抗破壞的能力。

圖11中綠色曲線(xiàn)為裂紋長(zhǎng)度amain=10 mm時(shí)J積分隨浸水時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖，J積分隨著浸水時(shí)間的增加不斷增大。裂紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，吸濕性對(duì)于復(fù)合材料膠接修補(bǔ)效果的危害越明顯，到浸水40天時(shí)，J積分值達(dá)到了6.4 MPa·mm。

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)方法獲得了復(fù)合材料修補(bǔ)試驗(yàn)件膠層失效模式以及膠黏劑在不同浸水時(shí)間時(shí)的彈塑性能，通過(guò)有限元數(shù)值方法定義膠層的損傷區(qū)域，研究了不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)吸濕性對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠層損傷的影響，并利用J積分分析了吸濕對(duì)修補(bǔ)效果的影響，得到了以下結(jié)論：

1)吸濕削弱了復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度和疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，吸濕后復(fù)合材料修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展壽命和極限載荷的平均值分別下降為吸濕前的71%和90%。

2)吸濕造成了復(fù)合材料修補(bǔ)金屬裂損結(jié)構(gòu)膠層失效模式的改變，由以?xún)?nèi)聚破壞為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐越缑嫫茐臑橹鳎梢哉J(rèn)為膠層老化是復(fù)合材料修補(bǔ)裂損結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降的主要因素。

3)吸濕使得膠層材料的塑性變形能力增強(qiáng)，但吸濕造成膠層強(qiáng)度和剛度性能衰減。浸水30天后，膠黏劑變?yōu)橥耆苄?，其塑性?yīng)變超過(guò)了總應(yīng)變的25%，彈性模量下降為未老化前的40%。

4)膠層損傷的起始和擴(kuò)展存在兩個(gè)區(qū)域：膠層邊緣以及裂紋尖端附近區(qū)域。損傷區(qū)域受吸濕性作用影響明顯，吸濕加速了膠層損傷，且裂紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，加速作用越明顯。

5)吸濕降低了修補(bǔ)的效果，當(dāng)浸水時(shí)間超過(guò)10天后，吸濕對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性危害極大；吸濕使得裂紋尖端的J積分值急劇增大，嚴(yán)重縮短了修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。