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    先進復合材料挖補修理技術的研究進展

    文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-06-21【

    膠接修理作為修理復合材料損傷的一種主要手段,可分為貼補修理和挖補修理。挖補修理因其修理后強度高,能夠保持原有結構氣動外形等優點,在飛機結構的修理中被廣泛應用。

    復合材料憑借眾多優點在航空業得已到了廣泛應用。最新的大型客機,如波音787的復合材料用量已經達到50%;空客A350XWB的復合材料用量將會達到52%;現代軍用直升機和小型飛機的機體為了減重,采用全復合材料結構。復合材料結構在制造、安裝、使用過程中可能會出現各種不同程度的損傷,例如在安裝過程中工具墜落造成的沖擊損傷;戰場中槍彈造成穿透損傷;飛行過程中的鳥撞損傷、雷擊損傷。

    膠接修理作為修理復合材料損傷的一種主要手段,可分為貼補修理和挖補修理。挖補修理因其修理后強度高,能夠保持原有結構氣動外形等優點,在飛機結構的修理中有廣闊的發展前景。

    123,123



    挖補修理的材料和設備

    根據修理所用材料的不同,復合材料挖補修理分為預浸料(Prepreg)修理、預固化(Precured)修理和濕鋪層(Wet-layup)修理3種修理工藝。需要注意的是,除非在修理時確有需要,否則很少采用預固化補片的工藝來修理。這是因為采用預固化片修理雖然省去了鋪貼修理層的工序、節省了時間,但是在膠接時,膠接面處容易出現膠層厚度不一致,膠層中以及膠接面出現孔隙等問題,嚴重影響膠接質量以及修理結構的強度。膠粘劑(Adhesive)是修理中另一個重要材料,通常飛機結構維修中使用的膠粘劑都以膠膜(Adhesive film)的形式提供。膠粘劑的主要成分為:合成樹脂以及稀釋劑、固化劑等多種添加劑。膠粘劑的成分對膠接性能起決定性作用。不同成分的膠粘劑的固化、使用條件各不相同,其剪切強度、模量等力學性能也不同;即使是同種樹脂的膠粘劑,其添加劑不同,也會造成膠接性能的差別。因此維修中針對不同膠接物的結構承載狀況,采用相匹配的膠粘劑對膠接修理至關重要。 123456

    挖補修理的設備主要有:材料貯存設備(冰箱)、加熱設備(電熱毯、烘箱)、抽真空設(真空袋)、切割設備(銑刀、打磨器)。由于飛機客戶對效率、成本的要求,現場/前線快速修理技術的迅速發展。很多國外復合材料維修公司(如WichiTech、HEATCON)都開發了便攜式的膠接維修系統(Hot Bond System)。

    挖補修理的步驟

    復合材料挖補修理的步驟和其他復合材料膠接修理的基本步驟相同,主要包括以下7點:(1)利用目視、敲擊和超聲波無損檢測等方法確定損傷程度和范圍;(2)清除損壞材料、斜坡打磨或階梯打磨挖補角;(3)使用丙酮、甲基異丁基甲酮(MIBK)等有機溶劑清潔膠接面;(4)鋪設修理層(濕鋪層和預浸料修理)或放置補片(預固化修理),保證膠層厚度一致,膠接連續;(5)加熱毯、真空袋等固化設備的封裝,按照修理固化條件和時間進行固化;(6)拆除封裝材料,對修理表面打磨修整;(7)對修理情況進行檢查評估。 本文來自123

    挖補修理的試驗研究

    復合材料挖補修理的研究,根據方法可以分為試驗研究和數值研究。研究的對象包括修理結構的應力分布、膠層的破壞模式,以及修理后強度。如圖1所示,挖補修理層合板的最終強度與挖補角、膠層厚度、挖孔直徑以及層合板的鋪層順序等多個因素有關。為了研究不同因素對挖補修理的影響,可以改變挖補修理層合板不同的參數,得到修理后強度與參數的關系。表1所示即為不同挖補參數和所對應試件的最終強度。在綜合考慮各因素的影響程度和范圍,能夠對挖補修理方法進行最優化設計,提高修理效率和修理強度。



    試驗研究的一般步驟為:首先在試驗機上等速加載修理試件,觀察其破壞路徑并記錄位移- 載荷曲線、破壞強度;其次對破壞的試件進行失效分析,一般包括挖補截面的金相分析和斷口掃描電鏡(SEM)觀察;最后利用這些失效分析方法來觀察細觀破壞模式,找出失效原因和機理。

    copyright 123456



    挖補修理的數值研究

    挖補修理數值研究的主要目的是與試驗研究的結果進行對照(圖2),得到試驗中無法采集或者無法觀察到的力學性能表征。數值研究能夠幫助試驗研究定位失效破壞的損傷源位置,損傷發展的路徑,膠層中損傷的累積擴展情況等。



    挖補修理有限元研究方法在過去的20年里取得了很大的發展。已經從過去簡單的2維研究發展為3維有限元仿真研究。材料的失效判斷也從過去簡單判斷破壞與否的蔡-吳、蔡-希爾失效判據發展完善為目前常采用的能夠區分材料多種不同失效模式(纖維斷裂、基體開裂、纖維-基體剪切破壞和分層破壞)的Hashin失效判據。目前,修理結構有限元仿真研究的最常用方法為擴展損傷方法。圖3即為擴展損傷方法的運算流程圖。 copyright 123456



    通過擴展損傷有限元方法,可以直觀、清晰地得到修理層合板各層的損傷位置、損傷類型以及損傷擴展的情況(圖4),載荷增加過程中膠層的損傷擴展情況。通過有限元計算還能夠得到修理結構的位移-載荷曲線,并能夠從位移-載荷曲線中找到膠層破壞載荷以及結構失效載(圖5)。


    圖4 挖補修理層合板單層損傷情況



    總結試驗和數值研究的結果,發現挖補修理層合板在受載作用下,初始裂紋損傷會萌生在母板、膠層以及補片界面結合強度較弱的部位。隨著載荷不斷增大,在一個相對小的局部區域,即界面結合力較弱的區域,裂紋匯合成一條主裂紋;當載荷接近某一臨界載荷時,主裂紋的擴展占據了主導位置,并快速沿膠接面擴展,導致修理結構最終失效。 123,123

    隨著挖補修理研究的不斷發展,目前最新的研究結果表明:挖補修理結構的失效包括膠層的失效和結構的破壞,而挖補角對膠層失效和結構破壞的影響并不相同。如圖6所示,隨著挖補角度的增大,膠層的失效載荷在不斷減少而結構的破壞載荷卻在不斷增加。4°時膠層的失效載荷與結構的破壞載荷相同,此時的角度即為拉伸載荷下挖補修理的最佳挖補角。通過研究,同樣也可以得到壓縮載荷下膠層失效和結構破壞載荷隨挖補角變化的趨勢(圖7),并得到壓縮載荷下挖補修理的最佳挖補角6°。與試件受到單一拉伸載荷或壓縮載荷不同,一般實際修理結構使用時即會受拉伸載荷也會受壓縮載荷,因此綜合考慮可以得到飛機修理結構的最佳挖補角為6°。


    copyright 123456

    目前挖補修理中亟待解決的問題

    雖然復合材料挖補修理的應用和研究已經發展了30多年,但是修理還存在著很多亟待解決的問題。

    (1)雖然修理后的靜強度恢復率較高,但是挖補修理抗疲勞載荷能力差。這使得目前國內修理的應用范圍局限在非承力結構或者應力水平很低的結構。搞清挖補修理疲勞損傷的機理,提高修理結構抗疲勞能力,準確估計修理后結構壽命是突破挖補修理應用局限性的關鍵。

    (2)修理結構的濕熱問題同樣是目前限制挖補修理發展的重要因素。由于復合材料和膠粘劑的熱膨脹系數不同,在固化過程中修理結構會出現不同程度的殘余熱應力,加上膠層中不可避免存在的孔隙,這些都使修理結構的濕熱問題對修理質量,修理后強度造成嚴重影響。

    (3)現場/戰場快速修理時,膠粘劑的貯存,膠接工藝、固化條件等與工廠修理差距較大。而現有維修修理質量評估技術落后,提高快速維修的質量與維修后的質量評估是發展快速修理需要解決的重要問題。 123456

    (4)不同成分膠粘劑的力學性能差別很大。維修時不同膠接物結構不同的受載情況造成對膠粘劑的力學性能要求不同。如何選擇合適的膠粘劑匹配相應的膠接物、受載情況,成為未來發展膠接技術的研究重點。


    來源:佳工機電網
     
     

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