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        復(fù)合材料修復(fù)含中心裂紋鋁合金薄板和厚板破壞模式研究*

        2014-12-19 05:25:54文思維肖加余周新立楊孚標(biāo)邢素麗曾竟成
        關(guān)鍵詞:厚板補(bǔ)片鋁合金

        文思維,肖加余,胡 猛,周新立,楊孚標(biāo),邢素麗,曾竟成

        (1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.中國(guó)人民解放軍95214部隊(duì),湖南 長(zhǎng)沙 410114)

        目前,復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修復(fù)技術(shù)在飛機(jī)損傷鋁合金薄板(厚度小于5mm)結(jié)構(gòu)件快速修復(fù)方面的研究和應(yīng)用較多[1-4].Bachir等人[5,6]采用三維有限元方法研究了不同形狀補(bǔ)片的修復(fù)效果,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為5~20mm 時(shí),六邊形補(bǔ)片修復(fù)結(jié)構(gòu)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子較小,有利于提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命.Baker和Bitton 等人[7,8]開發(fā)了一種評(píng)估修復(fù)結(jié)構(gòu)全壽命完整性的試驗(yàn)方法,該方法可監(jiān)控修復(fù)結(jié)構(gòu)的健康狀況.

        現(xiàn)在,復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修復(fù)損傷金屬厚板(厚度大于5mm)的研究受到重視[9,10].Tsouvalis等人[11]采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片修復(fù)了厚度為10mm 的中心裂紋損傷鋼板,盡管修復(fù)結(jié)構(gòu)的剛度比較小,但復(fù)合材料補(bǔ)片降低了裂紋擴(kuò)展速率,從而使結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命延長(zhǎng)了一倍.Toudeshky 等人[12]研究了補(bǔ)片鋪層對(duì)厚板修復(fù)結(jié)構(gòu)的裂紋起裂和擴(kuò)展速率的影響,發(fā)現(xiàn)采用未修復(fù)面結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測(cè)的裂紋擴(kuò)展壽命較保守,采用中面結(jié)構(gòu)參數(shù)得到的預(yù)測(cè)壽命較好.Mall等人[13]采用二維有限元方法分析了復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修復(fù)薄板和厚板的裂紋擴(kuò)展行為,修復(fù)的薄板和厚板的疲勞壽命分別是未修復(fù)板的10倍和4倍.預(yù)測(cè)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與試驗(yàn)中未修復(fù)面的裂紋擴(kuò)展速率一致,而與修復(fù)面的不同.可見,該方法可用于修復(fù)結(jié)構(gòu)的損傷容限評(píng)估和可靠性分析,但結(jié)果相對(duì)保守.

        綜上所述,修復(fù)的薄板和厚板之間在裂紋擴(kuò)展速率存在較大差別,然而有關(guān)修復(fù)薄板和厚板的拉伸破壞模式及兩種結(jié)構(gòu)間的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和疲勞行為差異的研究較少.本文以含中心裂紋、厚度為1.76mm和5.20 mm的LY12CZ鋁合金板為研究對(duì)象,采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片單面修復(fù).觀察和分析修復(fù)試件的疲勞裂紋擴(kuò)展及粘接界面脫粘破壞,然后研究不同厚度鋁合金板修復(fù)試件的準(zhǔn)靜態(tài)和疲勞拉伸破壞模式,最后考察裂紋長(zhǎng)度對(duì)修復(fù)試件修復(fù)效果的影響.

        1 試 驗(yàn)

        1.1 材 料

        含中心裂紋鋁合金板試件由厚度為1.76 mm和5.20 mm 的LY12CZ 鋁合金板制成,LY12CZ鋁合金板的力學(xué)性能見表1.

        復(fù)合材料補(bǔ)片采用單向T300/E-51 復(fù)合材料.T300碳纖維由日本東麗公司制造;岳陽石化公司制備的E-51是雙酚A 型環(huán)氧樹脂,平均環(huán)氧值為0.51.膠黏劑采用黑龍江石化研究所制備的聚亞氨酯改性環(huán)氧.單向T300/E-51復(fù)合材料和膠黏劑的性能見表1.

        表1 鋁合金板、復(fù)合材料補(bǔ)片和膠黏劑的性能Tab.1 Material properties for the aluminium plates,composite patch and adhesive

        1.2 試件制備

        將鋁合金板機(jī)加工成長(zhǎng)度為280 mm、寬度為60mm 的試件(如圖1所示),長(zhǎng)度方向?yàn)殇X合金板軋制方向.為便于預(yù)制出適當(dāng)尺寸的中心裂紋(2a),首先用Φ0.2的鉬絲在鋁合金試件中間部位線切割長(zhǎng)度為10mm 的中心裂紋,然后在疲勞試驗(yàn)機(jī)上加載疲勞載荷得到2a=12mm 的裂紋長(zhǎng)度.歸一化裂紋長(zhǎng)度為a/b,其中a為裂紋長(zhǎng)度的一半,b為鋁合金試件寬度的一半.鋁合金試件待膠接表面采用磷酸陽極化處理工藝(PAA)進(jìn)行處理[14].

        復(fù)合材料補(bǔ)片單面膠接于鋁合金板,如圖1所示.復(fù)合材料補(bǔ)片長(zhǎng)度為100 mm,寬度為60 mm.由文獻(xiàn)[15]可知,當(dāng)補(bǔ)片剛度(Eptp)等于鋁合金試件的剛度(Ests)時(shí),修復(fù)效果最好.其中,Ep和Es分別為補(bǔ)片和鋁合金板的彈性模量;tp和ts分別為補(bǔ)片和鋁合金板的厚度.因此,本文中厚度為1.76 mm 和5.20mm 鋁合金試件所用補(bǔ)片厚度分別為0.92mm 和2.65mm.補(bǔ)片的纖維方向與鋁合金板的長(zhǎng)度方向一致(即纖維方向平行于載荷方向).修復(fù)結(jié)構(gòu)的膠黏劑層厚度均為0.1mm.

        采用真空袋壓工藝進(jìn)行修復(fù),補(bǔ)片材料在膠接修復(fù)之前為預(yù)固化.固化制度為80oC/2h +120oC/4h,加熱速率為3~5oC/min,冷卻速率為10oC/min,當(dāng)冷卻到35 ℃后,卸載壓力.

        1.3 試驗(yàn)條件

        1.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

        修復(fù)和未修復(fù)試件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能在WDW-100萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試,加載速率為2 mm/min.延伸率采用左右兩個(gè)引伸計(jì)測(cè)量,取平均值.

        1.3.2 拉-拉疲勞試驗(yàn)

        疲勞試驗(yàn)在PLG-100C 諧振疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.試驗(yàn)條件為:頻率為90Hz,應(yīng)力比(R)為0.1和0.5,最大應(yīng)力為80 MPa.為精確測(cè)量鋁合金板裂紋,首先對(duì)修復(fù)試件的未膠接表面進(jìn)行拋光處理,采用數(shù)碼照相機(jī)每隔一定時(shí)間對(duì)裂紋拍攝一次,然后采用相關(guān)圖像處理軟件分析得到裂紋長(zhǎng)度.每種試件均測(cè)試三個(gè)試樣,并取其試驗(yàn)值的平均值.

        圖1 試件示意圖Fig.1 Specimen configuration

        1.4 修復(fù)效果評(píng)價(jià)

        對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn),修復(fù)效果采用承載能力保留率(η)、承載能力恢復(fù)率(χ)和等效剛度(Estiff)表征,τ定義為未修復(fù)試件的承載能力剩余率.

        式中:σrepaired,σunrepaired和σperfect分別為修復(fù)試件、未修復(fù)試件和完好試件的名義拉伸強(qiáng)度;σ,Pmax,ΔP,b,Δl和l分別為名義拉伸強(qiáng)度、最大拉伸載荷、拉伸載荷增量、鋁合金試件寬度的一半、鋁合金試件伸長(zhǎng)量和引伸計(jì)長(zhǎng)度.

        對(duì)于疲勞試驗(yàn),修復(fù)效果采用疲勞壽命增量(λ)表征:

        式中:Nrepaired和Nunrepaired分別為修復(fù)試件和未修復(fù)試件的疲勞壽命.

        2 結(jié)果與分析

        2.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸行為

        表2給出了裂紋長(zhǎng)度a/b=0.10,0.20,0.40,0.63和1.00的厚度為1.76 mm 修復(fù)試件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能.裂紋長(zhǎng)度a/b=0試件是完好試件,未修復(fù);裂紋長(zhǎng)度a/b=1.00修復(fù)試件中的鋁合金板完全斷裂.所有修復(fù)試件均為碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片單面修復(fù),補(bǔ)片尺寸如圖1所示.

        表2 厚度為1.76mm修復(fù)試件和完好試件的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the repaired and perfect specimens with a thickness of 1.76mm

        由表2 可以看出,修復(fù)試件的名義拉伸強(qiáng)度(σ)、承載能力保留率(η)、等效剛度(Estiff)和未修復(fù)試件的承載能力剩余率(τ)均隨裂紋長(zhǎng)度增大而降低,但修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率則隨裂紋長(zhǎng)度增大而提高.在所有修復(fù)試件中,裂紋長(zhǎng)度為0.63的修復(fù)試件的承載能力保留率(χ)最大,為63.53%.當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為1.00時(shí),修復(fù)試件的承載能力保留率為62.80%,與裂紋長(zhǎng)度為0.63 的修復(fù)試件的相當(dāng).對(duì)于裂紋長(zhǎng)度為1.00的修復(fù)試件,其承載能力剩余率為0,這表明修復(fù)試件的載荷完全依靠補(bǔ)片來傳遞.因此,對(duì)于一定修復(fù)條件,存在一個(gè)最大修復(fù)效率.本文中,最大修復(fù)效率為裂紋長(zhǎng)度為1.00修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率.

        當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為0.10時(shí),修復(fù)試件的承載能力保留率為93.17%,等效剛度為132.61GPa·mm,未修復(fù)試件的承載能力剩余率為87.19%,但其承載能力恢復(fù)率僅為5.98%,是最大修復(fù)效率的9.52%.當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為0.20,0.40和0.63時(shí),修復(fù)試件的承載能力保留率大于89.12%,承載能力恢復(fù)率在17.64%~63.53%之間,并且等效剛度也與完好板的相當(dāng).

        表3給出了裂紋長(zhǎng)度為0.10,0.20和0.40厚度為5.20mm修復(fù)試件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能.由表3可以看出,與厚度為1.76mm修復(fù)試件相同,修復(fù)試件的名義拉伸強(qiáng)度(σ)、承載能力保留率(η)、等效剛度(Estiff)和未修復(fù)試件的承載能力剩余率(τ)均隨裂紋長(zhǎng)度增大而降低,但修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率則隨裂紋長(zhǎng)度增大而提高.還可以看出,裂紋長(zhǎng)度為0.10修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率為4.66%.而對(duì)于裂紋長(zhǎng)度為0.20和0.40的修復(fù)試件,承載能力恢復(fù)率在13.70%~22.53%之間,承載能力保留率大于76.29%,等效剛度也與完好板的相當(dāng),其性能提高較大.

        表3 厚度為5.20mm 鋁合金修復(fù)試件和完好試件的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of the repaired and perfect specimens with a thickness of 5.20mm

        由表2和表3可以看出,當(dāng)裂紋長(zhǎng)度相同時(shí),厚度為1.76mm 修復(fù)試件的承載能力保留率和承載能力恢復(fù)率均大于厚度為5.20mm 修復(fù)試件.當(dāng)裂紋長(zhǎng)度小于0.20時(shí),厚度為1.76mm 修復(fù)試件與厚度為5.20mm 修復(fù)試件的修復(fù)效果相差較?。?dāng)裂紋長(zhǎng)度為0.20時(shí),厚度為5.20mm 修復(fù)試件的承載能力保留率為84.94%,稍小于厚度為1.76 mm 修復(fù)試件(90.33%).

        2.2 疲勞行為

        2.2.1 薄板與厚板修復(fù)試件的疲勞破壞模式

        (1)薄板修復(fù)試件

        圖2是裂紋長(zhǎng)度為0.20厚度為1.76mm 修復(fù)與未修復(fù)試件的疲勞曲線.由圖2可以看出,修復(fù)試件的疲勞壽命顯著大于未修復(fù)試件的疲勞壽命,應(yīng)力比為0.5的疲勞壽命大于應(yīng)力比為0.1的疲勞壽命.當(dāng)疲勞裂紋貫穿于鋁合金板寬度時(shí),修復(fù)試件的疲勞曲線存在一個(gè)平臺(tái).這表明當(dāng)裂紋擴(kuò)展至整個(gè)鋁合金板寬度后,厚度為1.76mm 修復(fù)試件還能承擔(dān)疲勞載荷.此時(shí),其疲勞載荷完全由復(fù)合材料補(bǔ)片傳遞.這表明厚度為1.76mm 修復(fù)試件的疲勞破壞模式是由補(bǔ)片與鋁合金板間的界面脫粘控制.

        圖2 裂紋長(zhǎng)度為0.20厚度為1.76mm修復(fù)與未修復(fù)試件的疲勞曲線Fig.2 Crack length versus fatigue cycles curves of the specimens with ts=1.76mm at a/b=0.20

        (2)厚板修復(fù)試件

        圖3是裂紋長(zhǎng)度為0.20厚度為5.20mm 修復(fù)與未修復(fù)試件的疲勞曲線.由圖3可以看出,復(fù)合材料補(bǔ)片能顯著恢復(fù)厚度為5.20mm 鋁合金板的損傷容限,并大幅提高其疲勞壽命.當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至鋁合金板寬度時(shí),厚度為5.20mm修復(fù)試件立即破壞,不能再承擔(dān)載荷.這表明厚度為5.20mm 修復(fù)試件的疲勞破壞模式是由鋁合金板裂紋擴(kuò)展控制的.

        圖3 裂紋長(zhǎng)度為0.20厚度為5.20mm修復(fù)與未修復(fù)試件的疲勞曲線Fig.3 Crack length versus fatigue cycles curves of the specimens with ts=5.20mm at a/b=0.20

        (3)薄板和厚板試件的對(duì)比

        表4給出了裂紋長(zhǎng)度為0.20,厚度為1.76mm和5.20mm 修復(fù)和未修復(fù)試件的疲勞壽命.由表4可以看出,修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的11.75~41.28倍;厚度為1.76 mm 修復(fù)試件的疲勞壽命增量遠(yuǎn)大于厚度為5.20mm 修復(fù)試件.當(dāng)應(yīng)力比為0.1時(shí),厚度為1.76mm 修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的21.33倍,而厚度為5.20mm 修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的11.75倍.由圖2和表4還可以看出,厚度為1.76mm 修復(fù)試件的平臺(tái)部分疲勞周次至少是未修復(fù)試件疲勞壽命的2.42倍.

        表4 裂紋長(zhǎng)度為0.20的修復(fù)和未修復(fù)試件的疲勞壽命(單位:次)Tab.4 Fatigue life of the specimens at the initial crack length of a/b=0.20(unit:cycle)

        2.2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

        圖4和圖5是應(yīng)力比為0.1和0.5,不同厚度修復(fù)和未修復(fù)試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率圖,所有試件的裂紋長(zhǎng)度均為0.20.

        由圖4和圖5可以看出,修復(fù)試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)小于未修復(fù)試件.修復(fù)和未修復(fù)試件的裂紋擴(kuò)展速率差別隨裂紋長(zhǎng)度增大而增大.隨著裂紋長(zhǎng)度增大,厚度為5.20mm 修復(fù)和未修復(fù)試件的裂紋擴(kuò)展速率快速增大,而厚度為1.76mm 修復(fù)試件的裂紋擴(kuò)展速率不增大(R=0.5)或緩慢增大(R=0.1).當(dāng)裂紋長(zhǎng)度較小時(shí),厚度為5.20mm 未修復(fù)試件的裂紋擴(kuò)展速率大于厚度為1.76mm未修復(fù)試件,而兩者的修復(fù)試件裂紋擴(kuò)展速率則相當(dāng).隨著裂紋長(zhǎng)度增大,厚度為1.76mm和5.20mm未修復(fù)試件之間裂紋擴(kuò)展速率差別減小,直至沒有差別;然而兩者裂紋擴(kuò)展速率差別逐漸增大.厚度為5.20mm 修復(fù)試件的裂紋擴(kuò)展速率大于厚度為1.76mm 修復(fù)試件的.當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于0.5時(shí),厚度為5.20mm 修復(fù)試件的裂紋擴(kuò)展速率隨裂紋長(zhǎng)度增大而增大;相反,厚度為1.76mm修復(fù)試件的裂紋擴(kuò)展速率不增大或下降.這表明當(dāng)裂紋長(zhǎng)度在0.5~1.0之間時(shí),厚度為1.76mm 修復(fù)試件處于穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),而厚度為5.20mm 修復(fù)試件則處于加速擴(kuò)展?fàn)顟B(tài).

        圖4 應(yīng)力比為0.1的不同厚度修復(fù)和未修復(fù)試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.4 Crack growth rates versus crack length curves of the specimens at stress ratio of 0.1

        2.2.3 裂紋長(zhǎng)度對(duì)疲勞壽命的影響

        表5給出了應(yīng)力比為0.1,裂紋長(zhǎng)度為0.10,0.20,0.40,0.63和1.00,厚度為1.76 mm 修復(fù)試件的疲勞壽命.由表5可以看出,與名義拉伸強(qiáng)度相反,厚度為1.76mm 修復(fù)試件的疲勞壽命隨裂紋長(zhǎng)度增大而提高.裂紋長(zhǎng)度為0.10修復(fù)試件的疲勞壽命最小,為898 861次,是未修復(fù)試件的14.61倍.與準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能相似,裂紋長(zhǎng)度為0.63和1.00修復(fù)試件的疲勞壽命相當(dāng).裂紋長(zhǎng)度為0.63修復(fù)試件的疲勞壽命是裂紋長(zhǎng)度為0.20修復(fù)試件的1.42倍,裂紋長(zhǎng)度為1.00修復(fù)試件的疲勞壽命比裂紋長(zhǎng)度為0.20修復(fù)試件的疲勞壽命長(zhǎng)32%.因此,考慮修復(fù)效益和修復(fù)效率,裂紋長(zhǎng)度為0.20~0.63時(shí)值得修復(fù).

        圖5 應(yīng)力比為0.5的不同厚度修復(fù)和未修復(fù)試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.5 Crack growth rates versus crack length curves of the specimens at stress ratio of 0.5

        由表5還可以看出,當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為0.10~0.40時(shí),修復(fù)試件中鋁合金板首先破壞,然后修復(fù)試件再經(jīng)歷一定周次后整體破壞.裂紋長(zhǎng)度為0.10,0.20和0.40修復(fù)試件的疲勞破壞位置在補(bǔ)片與鋁合金板之間界面脫粘.然而裂紋長(zhǎng)度為0.63和1.00修復(fù)試件的破壞發(fā)生在補(bǔ)片端部的鋁合金板處,補(bǔ)片與鋁合金板間的界面并未完全脫粘,如圖6所示.

        表5 不同裂紋長(zhǎng)度、厚度為1.76mm 鋁合金修復(fù)試件的疲勞壽命(R =0.1,單位:次)Tab.5 Fatigue life of the repaired specimens with a thickness of 1.76mm(R =0.1,unit:cycle)

        表6給出了裂紋長(zhǎng)度為0.10,0.20和0.40,厚度為5.20mm 修復(fù)試件的疲勞壽命.由表6可以看出,與厚度為1.76mm 修復(fù)試件疲勞壽命變化趨勢(shì)相反,厚度為5.20mm 修復(fù)試件的疲勞壽命隨裂紋長(zhǎng)度增大而降低,當(dāng)試件中鋁合金板破壞后整個(gè)試件也就相應(yīng)破壞.裂紋長(zhǎng)度為0.10修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的13.05倍,而裂紋長(zhǎng)度為0.40修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的7.69倍.

        圖6 厚度為1.76mm 鋁合金修復(fù)試件破壞位置Fig.6 Fatigue failure position of the repaired specimens with a thickness of 1.76mm

        表6 不同裂紋長(zhǎng)度、厚度為5.20mm鋁合金修復(fù)與未修復(fù)試件的疲勞壽命(R =0.1,單位:次)Tab.6 Fatigue life of the specimens with a thickness of 5.20mm(R =0.1,unit:cycle)

        3 結(jié) 論

        本文研究了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片單面修復(fù)含中心裂紋鋁合金薄板和厚板拉伸破壞模式,考察了裂紋長(zhǎng)度對(duì)修復(fù)試件準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和疲勞性能的影響.得到如下結(jié)果:

        當(dāng)碳纖維/環(huán)氧補(bǔ)片寬度等于鋁合金板寬度,長(zhǎng)度為100mm 時(shí),修復(fù)試件的拉伸破壞模式有兩種:鋁合金板裂紋擴(kuò)展、補(bǔ)片與鋁合金板間界面脫粘.

        厚度為1.76mm 修復(fù)試件的拉伸破壞模式為補(bǔ)片與鋁合金板間界面脫粘.其準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能隨裂紋長(zhǎng)度增大而降低,而疲勞性能則隨裂紋長(zhǎng)度增大而提高.當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為0.63時(shí),修復(fù)效果最好,其承載能力保留率為89.12%,疲勞壽命比裂紋長(zhǎng)度為0.20修復(fù)試件的長(zhǎng)42.47%.

        厚度為5.20mm 修復(fù)試件的拉伸破壞是由鋁合金板中裂紋擴(kuò)展控制的.其準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和疲勞性能均隨裂紋長(zhǎng)度增大而降低.當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為0.20時(shí),修復(fù)試件的承載能力保留率為84.94%,疲勞壽命是未修復(fù)試件的11.75倍.

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