复合材料胶接修补分析：损伤探测与预测要点.docVIP

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（DIC）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。 ：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 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。 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12—15mm[4]。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60mm[4]。 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10—30mm时，薄修补层合板的最佳补片厚度占主板的40—60%[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