膠層脫粘對(duì)金屬膠接修理后剩余強(qiáng)度的影響研究

楊夢(mèng)粵，李 磊

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

使用復(fù)合材料補(bǔ)片進(jìn)行膠接修理是飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)維修的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的膠接修理與傳統(tǒng)的金屬補(bǔ)片機(jī)械修理相比，具有快速高效、無(wú)腐蝕、對(duì)原結(jié)構(gòu)無(wú)損傷等諸多優(yōu)點(diǎn)[1，2]。用復(fù)合材料膠接修理飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的概念由澳大利亞于20世紀(jì)70年代首先提出[3]。國(guó)外，尤其是美國(guó)和澳大利亞等國(guó)，在飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)膠接修理技術(shù)方面的研究已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)比較成熟的階段，這種修理技術(shù)已應(yīng)用于飛機(jī)非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的維修上，并且經(jīng)過(guò)了實(shí)際飛行考驗(yàn)。結(jié)果表明，采用復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的修理能夠滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用要求。目前，國(guó)外正在開(kāi)展將膠接修理技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的修理和驗(yàn)證，擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模和范圍[4]。而國(guó)內(nèi)則存在較大差距，需要開(kāi)展系統(tǒng)的研究。

在進(jìn)行膠接修理時(shí)，常發(fā)現(xiàn)補(bǔ)片下方存在一定區(qū)域的脫粘；此外，即使修理時(shí)無(wú)脫粘的結(jié)構(gòu)，在使用一段時(shí)間后也可能出現(xiàn)膠層脫粘現(xiàn)象。脫粘的出現(xiàn)可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和疲勞壽命產(chǎn)生影響。脫粘出現(xiàn)位置的不同、尺寸的不同均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和疲勞壽命產(chǎn)生不同的影響。為了研究脫粘對(duì)膠接修理后結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的影響，本文進(jìn)行了理論分析研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 理論分析研究

2.1 補(bǔ)片邊沿附近的膠層應(yīng)力分布

首先需要進(jìn)行補(bǔ)片邊沿附近的膠層剪應(yīng)力分析。為方便分析，從簡(jiǎn)單二維情況開(kāi)始考慮。取圖1所示截面，其中有一個(gè)長(zhǎng)2B厚tR的補(bǔ)片被膠接到厚tP的長(zhǎng)條上，分析膠層應(yīng)力的傳遞。在本文后面的公式中，均使用字母P、R、A的下標(biāo)來(lái)區(qū)分母板、補(bǔ)片和膠層分別對(duì)應(yīng)的物理參量。

圖1 補(bǔ)片橫截面

文獻(xiàn)給出了補(bǔ)片下方的剪應(yīng)力分布公式：

(1)

式中，S表示剛度比，β為剪應(yīng)力傳遞系數(shù)，S和β分別見(jiàn)式(2)和式(3)。

(2)

(3)

2.2 裂紋附近的膠層應(yīng)力

考慮圖2所示的裂紋橫截面，膠層的剪應(yīng)力τA可以表示為下式：

圖2 補(bǔ)片橫截面(裂紋附近)

(4)

式中的S、β與公式(1)完全相同。

2.3 膠層剪應(yīng)力分布公式

將上文考慮的二維平面應(yīng)變情況結(jié)合在一起，則補(bǔ)片下方的剪應(yīng)力分布函數(shù)可表示為：

(5)

式中，b表示剪應(yīng)力傳遞的長(zhǎng)度。如果認(rèn)為膠層的剪應(yīng)力由最大值衰減為原來(lái)的0.5%時(shí)膠層完成了母板與補(bǔ)片之間的載荷傳遞，則可由下式確定膠層參與承載的長(zhǎng)度b：

τxmaxe-βb=0.5%τxmax

(6)

可解得，b=-ln0.005/β=5.3/β。

2.4 脫粘分析

將式(5)繪制成曲線，如圖3所示。由圖可以清楚地看出，膠層的剪應(yīng)力從補(bǔ)片端頭(y=±B)開(kāi)始呈現(xiàn)指數(shù)形式的衰減，在裂紋附近也是如此。由于補(bǔ)片與母板之間的載荷傳遞是通過(guò)膠層的剪應(yīng)力完成的，事實(shí)上膠接修理時(shí)載荷的傳遞僅出現(xiàn)在補(bǔ)片邊沿附近長(zhǎng)度為b的范圍內(nèi)和裂紋附近長(zhǎng)度為b的范圍內(nèi)。

圖3 膠層剪應(yīng)力分布曲線

圖4所示為用有限元繪制的矩形補(bǔ)片的膠層剪應(yīng)力云圖。由圖可見(jiàn)，前面的理論解析分析結(jié)果和有限元分析結(jié)果是一致的，即母板與補(bǔ)片之間的應(yīng)力傳遞(體現(xiàn)為膠層的剪應(yīng)力)僅僅發(fā)生在補(bǔ)片邊沿和裂紋附近，在其余區(qū)域母板與補(bǔ)片之間并不存在應(yīng)力傳遞。

圖4 補(bǔ)片下方的膠層剪應(yīng)力云圖

由于在除了補(bǔ)片邊沿附近和裂紋附近區(qū)域，膠層并不承受任何應(yīng)力，即這些區(qū)域的膠層本身并不承載，因此在這些區(qū)域內(nèi)，膠層出現(xiàn)一定的脫粘也應(yīng)該不會(huì)影響修理后結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。在裂紋附近和補(bǔ)片邊沿附近，由于母板與補(bǔ)片之間的應(yīng)力傳遞全部靠膠層承擔(dān)，這些區(qū)域如果出現(xiàn)脫粘，必然影響母板、補(bǔ)片的應(yīng)力分布，影響裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子。因此，補(bǔ)片邊沿附近和裂紋附近的脫粘可能會(huì)影響到膠接修理的效率和結(jié)構(gòu)修理后的剩余強(qiáng)度。據(jù)此，可以將補(bǔ)片進(jìn)行分區(qū)，如圖5所示：將補(bǔ)片邊沿附近和裂紋附近稱之為脫粘影響區(qū)，在這些區(qū)域出現(xiàn)脫粘會(huì)影響結(jié)構(gòu)的性能和剩余強(qiáng)度；將其余區(qū)域稱之為脫粘安全區(qū)，在這些區(qū)域出現(xiàn)脫粘并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度產(chǎn)生大的影響。以下將進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證該理論分析結(jié)果。

(a)矩形補(bǔ)片

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

制備如圖6所示的試驗(yàn)件。母板材料為L(zhǎng)Y12-cz，尺寸為280mm×70mm×1.85mm，中央有10mm穿透裂紋。采用CCF300/5228A復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)損傷進(jìn)行膠接修理。補(bǔ)片尺寸為70mm×70mm×2.00mm，鋪層為[45/0/-45/90]2s。補(bǔ)片和金屬平板之間的膠層為J47中溫結(jié)構(gòu)膠。

圖6 試驗(yàn)件尺寸和材料

使用超聲(如圖7所示)和紅外兩種方法對(duì)6件試驗(yàn)件的膠接區(qū)域進(jìn)行膠層脫粘檢測(cè)。圖8給出了紅外檢測(cè)結(jié)果(圖中標(biāo)記為脫粘的區(qū)域也是超聲所檢測(cè)的結(jié)果，表明兩種檢測(cè)方法具有較好的一致性)：1號(hào)和2號(hào)試驗(yàn)件不存在膠層脫粘；3號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)件的脫粘位置位于前面所說(shuō)的脫粘安全區(qū)域內(nèi)，但脫粘位置和脫粘程度均不相同；5號(hào)和6號(hào)試驗(yàn)件的脫粘位置離補(bǔ)片邊沿很近，位于脫粘影響區(qū)內(nèi)，但兩者的脫粘位置和脫粘程度也不相同。

(a)正常區(qū)超聲波檢測(cè)波形照片

(a)1號(hào)試驗(yàn)件 (b)2號(hào)試驗(yàn)件

對(duì)6件修理后的試驗(yàn)件施加拉伸載荷，測(cè)試其拉伸剩余強(qiáng)度，圖9所示為試驗(yàn)狀態(tài)照片和試驗(yàn)件破壞模式照片，圖10給出了試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 試驗(yàn)狀態(tài)照片和試驗(yàn)件破壞模式照片

圖10 試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示：3、4號(hào)試驗(yàn)件在脫粘安全區(qū)存在脫粘，相對(duì)于沒(méi)有脫粘的1、2號(hào)試驗(yàn)件，3、4號(hào)試驗(yàn)件的剩余強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化；5、6號(hào)試驗(yàn)件在脫粘影響區(qū)存在脫粘，相對(duì)于沒(méi)有脫粘的1、2號(hào)試驗(yàn)件，5、6號(hào)試驗(yàn)件的剩余強(qiáng)度均有一定程度的降低。試驗(yàn)結(jié)果與前面的理論分析是一致的：脫粘安全區(qū)域內(nèi)由于膠層本身不承載，因此該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的膠層脫粘對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響；脫粘影響區(qū)內(nèi)由于膠層參與承載，因此該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的膠層脫粘會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)前面的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，本文得出以下結(jié)論：

(1)膠層的剪應(yīng)力從補(bǔ)片邊緣和母板裂紋處開(kāi)始呈現(xiàn)指數(shù)形式的衰減。

(2)膠接修理時(shí)載荷的傳遞實(shí)際上僅出現(xiàn)在補(bǔ)片邊沿附近和裂紋附近范圍內(nèi)，除補(bǔ)片邊沿附近和裂紋附近外，膠層的其余區(qū)域自身并不承載。

(3)可以將補(bǔ)片進(jìn)行分區(qū)：將補(bǔ)片邊沿附近和裂紋附近稱之為脫粘影響區(qū)，在這些區(qū)域出現(xiàn)脫粘會(huì)影響結(jié)構(gòu)的性能和拉伸剩余強(qiáng)度；將其余區(qū)域稱之為脫粘安全區(qū)，在這些區(qū)域出現(xiàn)脫粘并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的拉伸剩余強(qiáng)度產(chǎn)生大的影響。