陳 建*

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量，已成為飛機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志之一。近十年來，復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用達(dá)到了前所未有的水平，A380復(fù)合材料的用量為25%，波音787的復(fù)合材料用量更高達(dá)50%。復(fù)合材料的應(yīng)用也從非承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)，我國自主研制的大型客機(jī)已將復(fù)合材料應(yīng)用于副翼、襟翼、尾翼、后機(jī)身壓力框等大尺寸次承力結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料的大量使用直接導(dǎo)致對(duì)修理技術(shù)的迫切要求[1-3]。近年來，經(jīng)過對(duì)國產(chǎn)民機(jī)復(fù)合材料制造偏離規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)常見的損傷主要有：分層、脫膠、芯層損傷、孔邊損傷、纖維劈裂等，這些損傷會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度和使用壽命的降低。目前，國內(nèi)常用的修理方法主要有：注膠修理[3]、機(jī)械連接修理[4-11]、膠接挖補(bǔ)修理[12-17]，但是對(duì)修理后零件的強(qiáng)度性能評(píng)估方法研究較少，工程應(yīng)用較困難。以我國自主研制的民用飛機(jī)為例，復(fù)合材料修理技術(shù)及其強(qiáng)度分析方法還需大量試驗(yàn)驗(yàn)證，可工程化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)修理方法較少。

1 膠接挖補(bǔ)修理方法介紹

膠接膠結(jié)挖補(bǔ)修理是一種最有前景的永久性修理方法，可以使修理結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度恢復(fù)到完好結(jié)構(gòu)的76%～81%[18]，其膠層剪力分布較為均勻，且能形成飛機(jī)氣動(dòng)光滑表面。挖補(bǔ)修理在結(jié)構(gòu)上由母層、修理層和膠層三部分組成。由于斜面形挖補(bǔ)的工藝較為簡(jiǎn)單，所以在工程上應(yīng)用廣泛。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工程上規(guī)定可采用挖補(bǔ)修理的損傷面積不能超過零件表面積的15%。膠接挖補(bǔ)修理通過挖去損傷或缺陷的部位，留下一個(gè)具有錐度的孔，先對(duì)層合板進(jìn)行干燥處理，然后再用復(fù)合材料補(bǔ)片通過膠結(jié)的方法將其修補(bǔ)完整，主要用于分層、脫粘、多余孔的修理，見圖1。修理步驟如下：

圖1 層壓板膠接斜面挖補(bǔ)修理

1）超聲或射線檢測(cè)確定損傷區(qū)域；

2）在零件上畫模線并去除損傷區(qū)域的鋪層；

3）按模線繼續(xù)去除鋪層成錐形或者階梯型；

4）輕微打磨相鄰已露出的防雷擊金屬網(wǎng)，如銅網(wǎng)（按需）；

5）對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行目視、無損檢測(cè)，確保損傷已覆蓋；

6）清理殘留并用粗棉布蘸工業(yè)酒精清洗，放置風(fēng)干；

7）對(duì)修理區(qū)域進(jìn)行膠接前表面處理；

8）對(duì)修理區(qū)域進(jìn)行鋪層，至少各有一層90°和45°；

9）裝袋及固化；

10）對(duì)修理區(qū)域進(jìn)行目視及無損檢測(cè)；

11）完成最終表面處理。

2 強(qiáng)度分析方法

膠接修理的失效類型可以分為：母層失效、修理層失效和膠層失效[19-23]。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為評(píng)估膠接修理的靜強(qiáng)度結(jié)果就可以滿足工程需求。對(duì)于層壓板挖補(bǔ)修理，典型工程評(píng)估方法如下：

1）計(jì)算

E*的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值為0.8～0.1。

2）計(jì)算

3）如果L*值大于實(shí)際搭接長(zhǎng)度L，則

4）如果L*值小于實(shí)際搭接長(zhǎng)度L，則計(jì)算

符號(hào)定義如下：

λ—重疊長(zhǎng)度的無量綱因子；

C—膠粘劑剪切模量；

η—膠接層厚度；

E1—母層彈性模量；

E2—修理層彈性模量；

t1—母層厚度；

t2—修理層厚度；

E*—膠接延伸剛度比；

L*—結(jié)合效率計(jì)算值；

γe—彈性粘結(jié)剪切應(yīng)變；

γp—塑性粘結(jié)剪切應(yīng)變；

p—塑性粘結(jié)剪切應(yīng)力；

Ψ—膠粘劑塑性應(yīng)力的重疊長(zhǎng)度；

P—膠接強(qiáng)度。

3 案例分析

假定某復(fù)材零件經(jīng)檢測(cè)存在邊緣分層，尺寸為40mm×12mm，具體位置見圖2（a）。分層區(qū)域挖補(bǔ)及鋪層見圖2（c）。圖2（c）中的具體鋪層材料及方向見表1。去除層單層厚度0.2mm，鋪層總厚度1.2mm，彈性模量E1=3.90×105MPa。修補(bǔ)層單層厚度0.2mm，鋪層總厚度1.2mm，彈性模量E2=4.55×105MPa。假設(shè)修補(bǔ)層的固化溫度為135℃，采用的膠粘劑性能參數(shù)見表2。修理后零件外觀見圖2（b）。

圖2 層壓板零件膠結(jié)挖補(bǔ)修理示意圖

表1 修補(bǔ)層的鋪層信息

表2 固化溫度135℃下的膠粘劑性能參數(shù)

根據(jù)式（1） ～（3）計(jì)算得：L*=7.11mm，L*小于搭接長(zhǎng)度L。

根據(jù)式（5） ～（7），計(jì)算得：P=686.7N/mm。

經(jīng)有限元建模分析，得出脫粘缺陷區(qū)域最大應(yīng)力Pfem=49.59N/mm，取1.5安全系數(shù)，則許用值[P]=74.39N/mm。

計(jì)算安全裕度：

安全裕度遠(yuǎn)大于1，修理后滿足靜強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

層壓板復(fù)合材料零件的膠接斜面挖補(bǔ)修理方法在我國民用飛機(jī)上已經(jīng)應(yīng)用，但目前僅限于次承力結(jié)構(gòu)。對(duì)主承力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，還需要通過試樣級(jí)到原件級(jí)再到部件級(jí)的大量試驗(yàn)研究，積累修理用的設(shè)計(jì)許用值，驗(yàn)證評(píng)估計(jì)算方法，逐步建立標(biāo)準(zhǔn)化的工程修理和強(qiáng)度評(píng)估方法，這對(duì)推動(dòng)復(fù)合材料在我國民機(jī)中的應(yīng)用至關(guān)重要。