復合材料結構修理技術探究

劉巖松 張子健 宋曉晨 王童 滕飛

摘要：復合材料因具有減輕結構質量、可降低油耗和提高飛行性能等優點，已廣泛應用于航空航天領域。飛機在生產和服役過程中不可避免地會出現缺陷和損傷，因此對復合材料修理的探究變得尤為重要。本文介紹了復合材料無損檢測方法、常見損傷缺陷及復合材料修理方法，分析了復合材料修理技術與理論的研究現狀和存在問題，展望了復合材料修理技術的發展趨勢。

關鍵詞：復合材料;缺陷;損傷;修理技術

0引言

近年來，隨著民航領域的快速發展，各大航空公司機隊規模逐漸擴大，復合材料用量呈明顯遞增趨勢，其用量和比例已成為衡量飛機是否先進的重要標準之一^[1]。波音公司、空中客車公司生產的新型大型民用飛機的復合材料用量不斷增加，空客新一代超寬體客機A350XWB復合材料用量占結構總重的比例將達到52%，圖1給出了波音和空客部分機型的復合材料用量。

由于復合材料普遍存在層間性能弱、易受沖擊損傷等缺點，在服役期間易受到擠壓、超載、沖擊和環境等因素的影響造成損傷，從而影響復合材料的整體結構性能。因此，復合材料發展和應用對其缺陷損傷修理提出迫切要求。王長越等^[2]闡述了因沖擊載荷造成損傷的復合材料修復技術的研究進展，分別從沖擊損傷評估、無損檢測和修復技術三方面介紹了國內外研究進展，并展望了沖擊損傷下復合材料修復技術的發展前景。徐緋等^[3]通過總結歸納前人在復合材料修理方面的理論知識，總結出復合材料結構修理問題的現狀。

1復合材料常見缺陷及損傷修理容限

1.1常見典型損傷和缺陷

生產過程中工藝控制不當、在服役過程中受到物體沖擊或受環境條件影響，這些因素都會造成復合材料的損傷或缺陷。表1給出了復合材料在制造和使用中的常見缺陷和損傷。復合材料結構損傷修理流程圖如圖2所示。

1.2損傷容限與修理容限

修理容限指的是兩個定量的界限，在復合材料修理中即表述為出現缺陷或損傷后需不需修、能不能修。結構的損傷容限是指損傷范圍從閾值到臨界值，以確定損傷結構在規定的使用期間是否具有足夠的剩余強度。修理工藝水平和經濟因素決定了修理容限。圖3給出了兩者之間的關系。

2無損檢測方法

在確定修復前，必須對損傷和缺陷進行檢查和評估。對于表面損傷，如劃痕和擦傷，可以使用目視檢查來確定損傷的面積和程度。對于脫膠分層等內部缺陷和損傷，目視檢查可以初步確定損傷部位和面積，然后通過無損檢測方法來準確確定損傷區域。表2列出了不同檢驗方法可檢的缺陷和損傷以及試驗結果的可靠性。不同的檢測方法適用于不同的缺陷和損傷檢查。

3復合材料結構修理方法

飛機復合材料結構修理方法有很多種，其分類的方法也有很多種。在實際的飛機復合材料結構修理中，常用的修理方法主要有鋪層修理、注膠與填膠修理、膠接修理和機械修理四大類。

3.1鋪層修理

鋪層修理是指將損傷部位打磨切除后，采用濕鋪層或預浸料對其重新鋪層，經過自然固化或者通過輔助加熱設施加熱到某一溫度實施固化的修理方法。鋪層修理是復合材料結構修理中最具代表性的修理方法。在實際工作中，復合材料結構的可修理損傷大多數需要采用鋪層修理法實施修理。

3.2注膠與填膠修理

注膠修理是指當層合板結構或夾芯結構出現小面積的內部分層或脫膠損傷時，將滲透性和流動性好的低黏度樹脂注入到分層或脫粘區域并使之固化粘合的一種膠接修理方法。

填膠修理是將樹脂膠或其他填料填充或灌注到損傷區以恢復其結構完整性的一種修理方法，通常在一些裝飾性結構和受載較小的蜂窩夾層結構上使用。修復的主要形式有表面劃痕、凹坑、部分蜂窩芯損壞、孔位置錯誤、孔尺寸過大。

3.3膠接連接修理

通過使用膠粘劑將被修補結構與補片共同固化連接在一起的復合補片的修復方法稱為膠接修復，以確保損壞的復合材料的結構完整，完成載荷轉移的修復。在實際工作中，膠接修補是復合材料結構修補使用最多的修補方法，根據補片膠接方式不同，又可分為貼補法和挖補法兩種，如圖4所示。

1）貼補法

貼補法是指在去除損傷結構后，在缺陷部位表面附著固定補片，以恢復結構完整性、使用性能及承載力學性能的一種膠接修補手段。根據補片粘貼位置，貼補法可以分為單面貼補和雙面貼補。由于其對操作設備要求不高，具有操作簡單、周期短等優點，該方法多用于外場臨時性修理，但由圖4可知貼補法不能應用于對氣動外形要求較高的部位的修理。

相超、周麗等^[4]基于連續介質損傷力學和粘聚區模型建立了修補復合材料層合板的漸進損傷分析模型，計算了貼補修復后拉伸載荷下的極限強度，研究了補片復合材料的損傷演化過程，并討論了補片參數對修補后拉伸性能的影響，得出不同破壞模式下補片參數的改變對其力學性能的影響。當主要破壞模式是補片破壞時，補片的直徑對修補結構的極限強度影響不大;當破壞模式是膠層破壞時，補片直徑的增大可顯著提高修補的極限強度。分析原因為當補片直徑較小時，膠層剝離應力較大，此時膠層容易首先失效;補片直徑逐漸增大，膠層剝離應力隨之降低，不易失效，故修補結構的極限強度隨著補片直徑的增大而明顯提高，如圖5所示。

2）挖補法

挖補法是先將損傷和缺陷部位去除，再在損傷部位填以新材料的一種膠接方法。根據去除損傷時打磨手段不同又可分為斜接法和階梯法。相較于貼補法，復合材料結構經過挖補修理后，膠接面的膠層剪切應力較為均勻，且能保持較好的氣動外形。因此，挖補法多用于曲率較大、對承載及氣動外形要求較高的復合材料結構。不過，由于挖補所需周期較長，操作流程較復雜，對工作人員水準和穩定性要求較高，因此挖補法一般為場內修理，是一種適用于損傷面積大、受損嚴重的復合材料結構的永久修理方法。

汪源龍、程小全等^[5]采用了三維損傷累積模型與試驗相結合的方式研究了修理后的復合材料層合板的拉伸性能，探討了挖補角對修復后層合板力學性能的影響，得出挖補修理中膠層失效載荷隨挖補角的增大而減小。同時分析了層合板挖補修復后受拉伸性能的影響、膠層失效后傳力路徑的變化，得到在膠層完全破壞后損傷會沿母版最窄處向兩側自由邊迅速擴展。紀朝輝、劉闊等^[6]研究了當挖補修補結構不同時斜接法對挖補修理后力學性能變化的影響，分別對斜坡比為1：10、1：20、1：30和1：40的層合板進行拉伸破壞試驗，得出當斜坡比為1：30時采用斜接法修補抗拉強度最好，同時總結了斜接法修補后的斷裂位置特征，得出斷裂類型主要有脫膠斷裂和補片斷裂兩種。

3.4機械連接修理

機械連接修理通常是指用螺接或鉚接的方式進行修理，如圖6所示，即在損傷部位的外部用螺栓或鉚釘固定補片，使損傷結構遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復的一種修理方法，其優點在于操作簡單、施工迅速、對表面處理要求不高。但由于機械連接修理需要在原損傷區域周圍打孔，易造成新的應力集中，可能影響整體結構壽命并改變原有的氣動外形。

4國內外研究現狀

近年來，隨著復合材料應用技術的不斷發展，復合材料不僅在航空航天領域應用廣泛，在船舶、化工、交通運輸、建筑、化工等各個領域的應用也愈見拓展，國內外對于復合材料的研究日益增多。

4.1復合材料膠接修理研究現狀

A.A.Baker博士^[7]討論了復合材料粘接修復的優點，首次提出了一種用復合材料補片修補受損飛機金屬結構的方案，即將貼片連接到受損區域，改善損傷的應力分布，減少損傷和裂紋的擴展速率，以增加結構強度和剩余壽命。J.J.Schubbe^[8]研究了復合材料單面修補中補片尺寸對其結構疲勞的影響，指出補片長度的增加可以減少補膠脫膠的可能性，延長修補結構的疲勞壽命，但同時也會增加結構的整體重量，導致粘膠層過早脫膠。Chung和yang^[9]通過三維有限元建模以及試驗探討了復合材料補片單面膠接修理裂紋的擴展，指出在貼片邊緣處應力強度因子迅速減小，當裂紋擴展速度接近貼片長度時，裂紋擴展速率將在短時間內減小，但隨著補片長度的增加，由于補片脫粘及試件其余部分承載能力的減弱，這種情況不會再發生;此外，當補片長度為裂紋長度1.5倍時，壽命延長最為顯著。鄧志康等^[10]通過改進Zinoview剛度退化模型，結合Shkrieh改進的三維Hashin準則，利用ANSYS有限元軟件選用INTER205單元對膠層進行模擬，建立了含孔復合材料層合板雙面貼補漸進損傷失效模型，指出增大補片尺寸可以明顯提高結構修補強度，這與文獻[8]中J.J.Schubbe所得結論基本一致，同時還指出當補片修補厚度為母板1/2時，承載拉應力最強。

4.2復合材料機械連接修理研究現狀

聶恒昌^[11]等通過機械連接修理的方法修復了含圓孔損傷的復合材料層合板，并通過軸向拉伸試驗驗證其修理可行性，得到通過機械連接修補方法強度恢復率約可達到55%～60%的結論。樊建平^[12]等借助ANSYS有限元軟件中的參數化設計語言APDL模塊研究了層合板機械連接處的破壞過程并模擬過程。P.J.Gray^[13]研究了偏心載荷對單搭接和雙搭接接觸行為的影響，并研究了金屬結構的變形對螺釘載荷分配的影響。

5存在問題

近年來，對復合材料修理技術的研究逐漸增多，在理論研究和實際工作中均取得了很大進展。但由于我國復合材料修理發展晚于國外，在某些技術突破及修理關鍵技術方面仍然存在一些問題，對國外修理技術仍然存在依賴性。同時，復合材料高尖端修理技術使用的航材均依靠進口，國內的復合材料制造產業也與國外有一定差距。綜合來看，主要存在以下幾方面問題：

1）由于復合材料受力各向異性，修補質量受多方面因素影響，一些關鍵技術依賴工作經驗。

2）在外場工作時，環境因素對修補結果有很大影響，難以保證力學性能，需要工作人員認真對待。

3）現有研究成果仍然難以滿足實際工程需求，理論研究與實際工程存在一定區別，應在理論研究的基礎上更注重解決實際工程問題。

6總結與展望

隨著高性能復合材料的開發與應用，復合材料修理技術日趨成熟，在復合材料理論方面研究成果也更加豐富。在當前航空航天領域發展迅猛趨勢下，我國未來幾年在復合材料修理技術領域有望取得更大的突破。在完善與充分利用現有技術的基礎上，應不斷汲取新技術，向高質量、低成本、一體化方向發展;應加快健全國內復合材料修理規范與標準，盡快實現復合材料數字化修理、修理工具及原材料國產化，將理論研究與實際工程相結合，成熟健全的修理技術是復合材料應用于各個領域的有力保障;開展復合材料修理標準化科學框架研究，大幅度提高修理效率，促進航空領域的可持續發展。

參考文獻

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