層壓板膠接挖補修理應用研究

陳 建*

（上海飛機設計研究院，上海201210）

0 引言

先進復合材料在飛機結構上的用量，已成為飛機先進性的標志之一。近十年來，復合材料在民用飛機上的應用達到了前所未有的水平，A380復合材料的用量為25%，波音787的復合材料用量更高達50%。復合材料的應用也從非承力結構發展到主承力結構，我國自主研制的大型客機已將復合材料應用于副翼、襟翼、尾翼、后機身壓力框等大尺寸次承力結構。

復合材料的大量使用直接導致對修理技術的迫切要求[1-3]。近年來，經過對國產民機復合材料制造偏離規律研究，發現常見的損傷主要有：分層、脫膠、芯層損傷、孔邊損傷、纖維劈裂等，這些損傷會導致強度和使用壽命的降低。目前，國內常用的修理方法主要有：注膠修理[3]、機械連接修理[4-11]、膠接挖補修理[12-17]，但是對修理后零件的強度性能評估方法研究較少，工程應用較困難。以我國自主研制的民用飛機為例，復合材料修理技術及其強度分析方法還需大量試驗驗證，可工程化應用的標準修理方法較少。

1 膠接挖補修理方法介紹

膠接膠結挖補修理是一種最有前景的永久性修理方法，可以使修理結構的強度恢復到完好結構的76%～81%[18]，其膠層剪力分布較為均勻，且能形成飛機氣動光滑表面。挖補修理在結構上由母層、修理層和膠層三部分組成。由于斜面形挖補的工藝較為簡單，所以在工程上應用廣泛。依據經驗，工程上規定可采用挖補修理的損傷面積不能超過零件表面積的15%。膠接挖補修理通過挖去損傷或缺陷的部位，留下一個具有錐度的孔，先對層合板進行干燥處理，然后再用復合材料補片通過膠結的方法將其修補完整，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修理

1）超聲或射線檢測確定損傷區域；

2）在零件上畫模線并去除損傷區域的鋪層；

3）按模線繼續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，如銅網（按需）；

5）對損傷區域進行目視、無損檢測，確保損傷已覆蓋；

6）清理殘留并用粗棉布蘸工業酒精清洗，放置風干；

7）對修理區域進行膠接前表面處理；

8）對修理區域進行鋪層，至少各有一層90°和45°；

9）裝袋及固化；

10）對修理區域進行目視及無損檢測；

11）完成最終表面處理。

2 強度分析方法

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]。依據工程經驗，一般認為評估膠接修理的靜強度結果就可以滿足工程需求。對于層壓板挖補修理，典型工程評估方法如下：

1）計算

E*的設計經驗值為0.8～0.1。

2）計算

3）如果L*值大于實際搭接長度L，則

4）如果L*值小于實際搭接長度L，則計算

符號定義如下：

λ—重疊長度的無量綱因子；

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*—結合效率計算值；

γe—彈性粘結剪切應變；

γp—塑性粘結剪切應變；

p—塑性粘結剪切應力；

Ψ—膠粘劑塑性應力的重疊長度；

P—膠接強度。

3 案例分析

假定某復材零件經檢測存在邊緣分層，尺寸為40mm×12mm，具體位置見圖2（a）。分層區域挖補及鋪層見圖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。修補層單層厚度0.2mm，鋪層總厚度1.2mm，彈性模量E2=4.55×105MPa。假設修補層的固化溫度為135℃，采用的膠粘劑性能參數見表2。修理后零件外觀見圖2（b）。

圖2 層壓板零件膠結挖補修理示意圖

表1 修補層的鋪層信息

表2 固化溫度135℃下的膠粘劑性能參數

根據式（1） ～（3）計算得：L*=7.11mm，L*小于搭接長度L。

根據式（5） ～（7），計算得：P=686.7N/mm。

經有限元建模分析，得出脫粘缺陷區域最大應力Pfem=49.59N/mm，取1.5安全系數，則許用值[P]=74.39N/mm。

計算安全裕度：

安全裕度遠大于1，修理后滿足靜強度要求。

4 結論

層壓板復合材料零件的膠接斜面挖補修理方法在我國民用飛機上已經應用，但目前僅限于次承力結構。對主承力復合材料結構，還需要通過試樣級到原件級再到部件級的大量試驗研究，積累修理用的設計許用值，驗證評估計算方法，逐步建立標準化的工程修理和強度評估方法，這對推動復合材料在我國民機中的應用至關重要。