摘要

针对航空金属构件损伤碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)单面修补结构，研究了3种贴补修复工艺(湿铺法、预浸料法、预固化法)、复合材料补片厚度、补片长度与修复界面形貌、胶接特性、失效形式和极限载荷之间的对应关系；建立了三维有限元模型，基于三维Hashin失效准则模拟复合材料补片的层内损伤和演化过程，基于内聚力模型模拟胶层和复合材料补片的层间破坏，通过与试验和理论分析对比，验证了该有限元模型的有效性。研究结果表明：3种修补工艺具有不同的界面形貌和失效形式，湿铺法工艺的修复效果最好，是预固化法的3.3倍、预浸料法的1.3倍；随着复合材料补片厚度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后减小，最后趋于稳定，失效形式逐渐从复合材料补片分层崩裂、纤维断裂与胶层损伤的混合失效逐渐演化到胶层的剪切失效，得到修复效果最好的补片厚度为7层约1.05mm；随着补片长度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后线性减小，胶层的损伤从接头中央和两端起始并往中间区域演化，得到修复效果最好的补片长度为80mm。该结论为航空维修工程应用提供了良好依据和建议。

作者

陈诗展1,胡俊山*1,2,张霖1,田威1

(1.南京航空航天大学机电学院，南京；2.江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京)

正文

飞机金属结构在服役过程中容易产生开孔、裂纹和腐蚀等损伤，传统的机械修理方式(铆接、螺接)因效率低、增重大、需对母板进行制孔等操作而无法满足修理要求[1]。随着先进复合材料和胶接技术的不断成熟，金属构件损伤复合材料贴补修复技术因增重小、可设计性强、无二次损伤、便于原位操作等优点在航空维修等领域中具有广泛的应用前景[2-4]。

近年来，国内外学者对复合材料和胶粘剂的连续损伤模型、胶接工艺及胶接结构性能进行了大量研究，分析和比较了不同损伤理论分析的准确性、胶接形式对修补结构连接性能的影响[5-9]。研究发现，复合材料胶接结构的力学性能和损伤形式与胶接长度和铺层等方式有关[10-11]。毛振刚等[12]开展了不同搭接长度的拉伸试验，得到了最佳胶接长度，使得结构强度明显提高。苗学周等[13]基于渐进损伤理论建立了不同补片形状的复合材料修补模型，得到了最佳的补片几何参数，并验证了模型的准确性。孙运刚等[14]采用复合材料湿法修补对含裂纹铝板进行疲劳特性分析，结果表明复合材料湿法浸润胶接对较薄铝板具有很好的修理效果。王跃等[15]考虑附加弯矩的影响建立单面修补含中心裂纹板的解析模型，求解了修补结构基板的最大和最小应力。Purimpat等[6]对胶接接头的整体与局部效应关系进行分析，研究表面层压板的0°铺层会提高胶接接头的弯曲刚度和连接强度。Sun等[16]使用三维Hashin失效准则，研究不同的胶接参数对极限失效载荷、失效形式和应力分布的影响。Fielden-Stewart等[17]使用选择性激光融化(SLM)技术制作了不同印刷角度(45°、90°)的试件，研究了表面形貌对Al/复合材料胶接接头界面断裂韧性的影响。Duong等[18]研究了胶接修理过程中，由于胶粘剂的固化温度不同而产生的残余热应力所引发的一系列问题。然而，目前关于不同修补工艺和补片参数的试验件胶接界面表面形貌、胶接特性和失效形式之间的对应关系却很少研究。

本文通过试验研究和数值模拟等手段，分析了航空钛合金构件损伤复合材料单面贴补修复结构的修复工艺、补片参数、界面形貌、胶接特性、失效形式等因素对修复性能的影响规律，为航空维修工程设计与应用提供建议。

1.试验材料及方法

1.1试件模型及材料参数

采用TC4钛合金板、SY-24C中温固化结构胶膜和T/碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料来研究航空金属构件损伤复合材料单面贴补修复结构的力学性能，试件模型如图1所示。使用两块尺寸均为mm×25mm×2mm的TC4钛合金板对接结构模拟穿透性裂纹，由上海禄浩金属集团制造。结构胶粘剂采用航空构件上常用的SY-24C中温固化结构胶膜，单层胶膜厚度为0.12mm，由中国航发北京航空材料研究院制造。使用T/复合材料来制作补片(Patch)，单层CFRP层合板的厚度为0.15mm，由上海晋飞碳纤维科技公司提供。表1为TC4钛合金板的材料参数。表2为SY-24C胶膜的材料参数[19]。表3为T/复合材料的材料参数[20]。

tp—Patchthickness;

tA—Adhesivethickness

L—Patchlength

图1金属损伤碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料单面贴补修复结构示意图

Figure1.Schematicillustrationofone-siderepairofdamagedmetalstructureusingcarbonfiber-reinforcedpolymer(CFRP)

表1TC4钛合金板的材料参数

Table1.MaterialparametersofTC4titaniumalloyplate

表2SY-24C胶膜的材料参数

Table2.MaterialparametersofSY-24Cadhesivefilm

表3T/碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层合板的材料参数

Table3.MaterialparametersofT/carbonfiberreinforcedpolymer(CFRP)

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