层合板斜面形胶接挖补修理力学性能试验研究①

2021-03-09牛雪娟刘诗琪

固体火箭技术 2021年1期

杜宇，杨涛，牛雪娟，刘诗琪

(1.天津市现代机电装备技术重点实验室, 天津 300387；2.天津工业大学机械工程学院, 天津 300387)

0 引言

复合材料具有比强度、比刚度高、可设计性强、疲劳性能好和耐腐蚀等许多优异性能[1-2]，近年来在现代飞机结构中所占比重越来越大，复合材料飞机结构的修理与评估技术成为复合材料技术研究的重要方面之一[3]。补片胶接修理主要分为补片贴补修理和补片挖补修理，贴补修理主要用于较薄结构或暂时性修理的试件，为临时修理。而挖补修理通常用于较厚结构或永久性修理的试件，为永久修理。补片挖补修理后构件强度高，能够保持原有结构的气动外形等特点，广泛用在航空飞机结构的修理中[4]。

国内外学者对复合材料挖补修理性能及分析方法进行了研究[5-9]。Fredrick-son[10]和Mollenhauer[11]建立了复合材料层合板阶梯式挖补修理结构的三维有限元模型，研究了自由边胶层的应变分布，并运用实验方法验证有限元模型的正确性。Wang[12]分析了铺层结构、层合板厚度以及胶层的塑性对斜面式挖补修复效果的影响，提出了采用最大塑性应变准则进行斜面式挖补修复设计的方法。郭霞等[13]研究了穿透型损伤层合板斜面挖补修理后的拉伸性能，运用试验和有限元的方法分析了挖补斜度、覆盖层数对其拉伸性能的影响，计算结果与试验结果吻合较好。苗学周等[14]建立了不同补片形状的挖补修理的有限元模型，并对补片的形状和尺寸进行了优化设计。朱书华等[15]建立了复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理构型的渐进损伤分析三维有限元模型，同时考虑了复合材料母板、补片和胶层的损伤扩展以及它们之间的相互影响。目前，复合材料层合板胶接挖补修理的研究主要集中在有限元分析并用试验方法进行验证，而挖补修理的工艺参数对其力学性能影响的试验研究相对较少。因此，本文重点讨论挖补修理的工艺参数对其拉伸和弯曲强度的影响。

层合板斜面形胶接挖补修理后强度恢复率主要影响因素有铺层角度、挖补斜度和胶粘剂。本文主要研究斜面形挖补修理后层合板的力学性能，重点讨论不同挖补斜度、铺层角度对修理后层合板的拉伸强度和弯曲强度的影响，修理后试件强度与完好试件进行对比，以了解影响因素的作用及挖补修理的恢复效率，所得试验结果可为实际挖补修理工艺优化提供依据和指导。

1 试验

1.1 试件制备

试件采用SK化工(青岛)有限公司的TR50碳纤维预浸料制备，碳纤维的密度1.77 g/cm3。层合板的铺层数为16，每层厚度为0.125 mm。层合板采用模具热压成型的方法，具体操作是将脱模剂涂抹于模具腔内，放入铺设完整的碳纤维预浸模压料，合上模具，置于模压成型机。缓慢施加压力到0.5 MPa，升温速度为3 ℃/min，第一阶段温度设定为100 ℃，保持1.5 h，第二阶段温度设定为135 ℃，保持3 h。保持压力自然冷却到60 ℃以下，卸压，脱模，打磨毛边，成型制备出碳纤维层合板。粘接面用#400砂纸进行打磨，然后用丙酮清洗干净，用Araldite@2015胶粘剂进行粘接，在0.3 MPa的压力下，常温固化24 h。斜面形挖补修理层合板的结构示意图如图1所示。

图1 挖补修理试件几何构型

为研究铺层角度和挖补斜度对层合板力学性能的影响，采用[0/90]4S和[±45]4S两种铺层方式下的层合板，挖补补片与母版同材料、同铺层角度；选取四种不同挖补斜度，分别为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25。

1.2 试验条件及测试方法

拉伸试件的尺寸为250 mm×25 mm×2 mm (L×W×H)(ASTM D 3039)，加载速度为2 mm/min，试件两端粘贴50 mm×25 mm×2 mm的铝制加强片；弯曲试验的跨距S由跨厚比S/H计算，S/H的选择应考虑挖补修理区域最大长度的影响，弯曲试件选择最大的跨厚比60∶1，故弯曲试件的尺寸为170 mm×12 mm×2 mm(L×W×H)(ASTM D 790M)，加载速度为2 mm/min，载荷的加载面为图1的上表面。拉伸和弯曲实验在日本岛津的AG-50KNE型万能试验机上进行。采用位移单向控制，实验在室温准静态拉伸载荷下进行。

2 试验结果与讨论

2.1 拉伸试验

图 2为[0/90]4S和[±45]4S铺层的试件在拉伸载荷条件下，不同挖补斜度试件典型的外加载荷与位移的曲线图，外加载荷先随着位移的增加而增大，达到最大载荷时，发生了胶层失效和纤维撕裂，逐渐失去承载能力，外加载荷发生突降，逐渐减少。

(a)[0/90]4S specimens (b)[±45]4S specimens

随着挖补斜度的增大，最大拉伸载荷值也随着增加。主要由于随着挖补斜度的增大，粘合区域面积也逐渐增加，剥离应力逐渐减小，载荷主要以剪切应力进行传递，剪切应力分布在整个试件的粘合区域。因此，最大失效载荷值也随之增加。

根据试件的横截面积和失效载荷计算出拉伸强度，并与完好试件的强度进行对比，得到修理后试件拉伸强度修理恢复率即修理后试件拉伸强度/完好试件拉伸强度×100%，如表1所示。

表1 试件拉伸强度修理恢复率

从表1中可看出，随着挖补斜度的增大，拉伸强度恢复率也随之增加，主要由于粘合区域面积逐渐增大，胶层的承载能力越大，修理后试件的拉伸强度也越大。[0/90]4S和[±45]4S铺层的试件，当斜度为1∶10时，修理恢复率最低，分别为16.63%和45.55%；当斜度为1∶25时，修理恢复率最高，分别为50.75%和69.89%，均未超过完好试件的拉伸强度。[±45]4S铺层试件修理恢复率明显超过[0/90]4S铺层的试件，主要由于[0/90]4S铺层试件，0°铺层是主受力层，0°纤维受到破坏，导致整个试件的强度降低，使得[0/90]4S铺层试件的修理恢复率相对较低。

2.2 弯曲试验

图 3为[0/90]4S和[±45]4S铺层的试件在弯曲载荷条件下，不同挖补斜度试件典型的外加载荷与挠度的曲线图。随着挖补斜度的增大，最大弯曲载荷值也随着增加。

(a)[0/90]4S specimens (b)[±45]4S specimens

根据试件的宽度、厚度、跨距和失效载荷计算出弯曲强度，并与完好试件的强度进行对比，得到修理后试件弯曲强度修理恢复率，即修理后试件弯曲强度/完好试件弯曲强度×100%，如表2所示。从表2中可看出，随着挖补斜度的增大，弯曲强度恢复率也随之增加，对于[0/90]4S和[±45]4S铺层的试件，当斜度为1∶10时，修理恢复率最低，分别为39.50%和77.45%；当斜度为1∶25时，修理恢复率最高，分别为62.58%和109.88%。当斜度超过1∶20时，[±45]4S铺层试件修理恢复率超过了100%，即修理后的弯曲强度高于完好试件的弯曲强度，其原因是随着斜度的增大，粘接区面积逐渐增大，胶粘剂的强度大于树脂的强度，使得修理后试件的层间强度高于完好试件的层间强度。

表2 试件弯曲强度修理恢复率

3 破坏形貌

3.1 拉伸试件破坏形貌

图4和图5分别为[0/90]4S和[±45]4S铺层的试件进行拉伸试验后得到的典型破坏形貌。由图4可见，当斜度较小时，试件主要从胶层处断裂，主要表现为胶层失效，只有极少的纤维破坏。当斜度为1∶25时，试件从胶层处断开的同时会引起大面积的纤维撕裂，纤维撕裂的方向不仅垂直于拉力方向，即试件90°铺层方向，平行于拉力方向即试件0°铺层方向也会有少量纤维撕裂，随着试件挖补斜度的增大，破坏程度也逐渐增加。从图5中可看出，当斜度为1∶10时，破坏形貌主要表现为胶层失效，并无明显的纤维撕裂现象发生。当斜度为1∶25时，破坏形貌表现为少部分胶层失效，胶接面出现大面积纤维撕裂，且撕裂出现在试件边缘处，撕裂方向为±45°方向。随着试件挖补斜度的增大，纤维撕裂现象更加严重。

(a)Scarf ratio 1∶15 (b)Scarf ratio 1∶25

3.2 弯曲试件破坏形貌

图6和图7分别为[0/90]4S和[±45]4S铺层的试件进行弯曲试验后得到的典型破坏形貌。

从图6中可看出，所有挖补斜度的试件失效形式表现为胶层失效和纤维撕裂。纤维撕裂垂直于试件长度方向，即纤维0°铺层方向，破坏界面表现为阶梯型纤维撕裂，靠近纤维撕裂处会引起少量的纤维分层。随着挖补斜度的不断增大，阶梯型撕裂长度逐渐增大，纤维撕裂现象更加明显。

(a)Scarf ratio 1∶15 (b)Scarf ratio 1∶25

从图7中可看出，当挖补斜度为1∶10时，失效形式表现为胶层失效的同时也会伴随有少量边缘纤维撕裂现象，撕裂方向会延续原有试件纤维的铺层方向。当挖补斜度为1∶25时，胶接面会出现明显的纤维撕裂现象，且撕裂处伴随有大量的纤维分层。挖补斜度越大，撕裂程度越严重。

从不同铺层角度和不同挖补斜度的试件破坏形貌可看出，较小的挖补斜度表现为胶层失效，较大的挖补斜度表现为混合失效，即胶层失效和纤维撕裂。其主要原因是当挖补斜度减小，即挖补角增大时，胶层间主要表现为剥离应力，而剪切应力相对较小，所以胶接界面主要表现为胶层失效；当挖补斜度增大，即挖补角较小时，剥离应力和剪切应力同时存在，但剥离应力相对于剪切应力是减小的，所以胶接界面主要表现为混合失效。