先進復(fù)合材料挖補修理技術(shù)的研究進展

膠接修理作為修理復(fù)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(jié)構(gòu)氣動外形等優(yōu)點，在飛機結(jié)構(gòu)的修理中被廣泛應(yīng)用。

復(fù)合材料憑借眾多優(yōu)點在航空業(yè)得已到了廣泛應(yīng)用。最新的大型客機，如波音787的復(fù)合材料用量已經(jīng)達到50%；空客A350XWB的復(fù)合材料用量將會達到52%；現(xiàn)代軍用直升機和小型飛機的機體為了減重，采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、安裝、使用過程中可能會出現(xiàn)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(zhàn)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(fù)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(jié)構(gòu)氣動外形等優(yōu)點，在飛機結(jié)構(gòu)的修理中有廣闊的發(fā)展前景。

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挖補修理的材料和設(shè)備

根據(jù)修理所用材料的不同，復(fù)合材料挖補修理分為預(yù)浸料（Prepreg）修理、預(yù)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(yù)固化補片的工藝來修理。這是因為采用預(yù)固化片修理雖然省去了鋪貼修理層的工序、節(jié)省了時間，但是在膠接時，膠接面處容易出現(xiàn)膠層厚度不一致，膠層中以及膠接面出現(xiàn)孔隙等問題，嚴重影響膠接質(zhì)量以及修理結(jié)構(gòu)的強度。膠粘劑（Adhesive）是修理中另一個重要材料，通常飛機結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)承載狀況，采用相匹配的膠粘劑對膠接修理至關(guān)重要。 123456

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

挖補修理的步驟

復(fù)合材料挖補修理的步驟和其他復(fù)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(shè)修理層（濕鋪層和預(yù)浸料修理）或放置補片（預(yù)固化修理），保證膠層厚度一致，膠接連續(xù)；（5）加熱毯、真空袋等固化設(shè)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(fù)合材料挖補修理的研究，根據(jù)方法可以分為試驗研究和數(shù)值研究。研究的對象包括修理結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(guān)。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(shù)，得到修理后強度與參數(shù)的關(guān)系。表1所示即為不同挖補參數(shù)和所對應(yīng)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?qū)ν谘a修理方法進行最優(yōu)化設(shè)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。

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挖補修理的數(shù)值研究

挖補修理數(shù)值研究的主要目的是與試驗研究的結(jié)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(xué)性能表征。數(shù)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(fā)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(fā)展。已經(jīng)從過去簡單的2維研究發(fā)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(jù)發(fā)展完善為目前常采用的能夠區(qū)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(jù)。目前，修理結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)失效載（圖5）。


圖4 挖補修理層合板單層損傷情況



總結(jié)試驗和數(shù)值研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)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(jié)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(qū)域，即界面結(jié)合力較弱的區(qū)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(jù)了主導(dǎo)位置，并快速沿膠接面擴展，導(dǎo)致修理結(jié)構(gòu)最終失效。 123,123

隨著挖補修理研究的不斷發(fā)展，目前最新的研究結(jié)果表明：挖補修理結(jié)構(gòu)的失效包括膠層的失效和結(jié)構(gòu)的破壞，而挖補角對膠層失效和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的破壞載荷卻在不斷增加。4°時膠層的失效載荷與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的最佳挖補角為6°。


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目前挖補修理中亟待解決的問題

雖然復(fù)合材料挖補修理的應(yīng)用和研究已經(jīng)發(fā)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(fù)率較高，但是挖補修理抗疲勞載荷能力差。這使得目前國內(nèi)修理的應(yīng)用范圍局限在非承力結(jié)構(gòu)或者應(yīng)力水平很低的結(jié)構(gòu)。搞清挖補修理疲勞損傷的機理，提高修理結(jié)構(gòu)抗疲勞能力，準確估計修理后結(jié)構(gòu)壽命是突破挖補修理應(yīng)用局限性的關(guān)鍵。

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

（3）現(xiàn)場/戰(zhàn)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(xiàn)有維修修理質(zhì)量評估技術(shù)落后，提高快速維修的質(zhì)量與維修后的質(zhì)量評估是發(fā)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(xué)性能差別很大。維修時不同膠接物結(jié)構(gòu)不同的受載情況造成對膠粘劑的力學(xué)性能要求不同。如何選擇合適的膠粘劑匹配相應(yīng)的膠接物、受載情況，成為未來發(fā)展膠接技術(shù)的研究重點。


來源：佳工機電網(wǎng)