飛機(jī)復(fù)合材料拉伸過程損傷的聲發(fā)射特性分析

黃華斌，彭智偉，王竹林

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度和高比剛度的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)中。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體化可大幅度減少緊固件和零件的數(shù)量，達(dá)到降低重量、制造和維修成本、顯著提升承載能力以及提高結(jié)構(gòu)效率的目的。與機(jī)械連接方式相比，筋條和蒙皮共固化連接被認(rèn)為是發(fā)揮復(fù)合材料效益潛力的最重要途徑之一，波音787復(fù)合材料機(jī)翼的梁和肋凸緣以及空客A 350結(jié)構(gòu)加筋都是采用共固化或膠接的連接形式。但是，復(fù)合材料筋條和蒙皮T型共固化連接使得結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)了局部的幾何不連續(xù)，在外載荷作用下，這些幾何不連續(xù)周圍區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，隨著載荷的增加應(yīng)力集中加劇，首先導(dǎo)致了幾何不連續(xù)周圍區(qū)域材料產(chǎn)生細(xì)觀損傷基體開裂，繼而形成宏觀的層間分層；隨后，分層將沿分層處的層間擴(kuò)展或跳躍到相鄰層的層間擴(kuò)展，直到結(jié)構(gòu)單元喪失承載能力。

在拉伸試驗(yàn)中研究筋條和蒙皮復(fù)合材料T型共固化結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)生過程，對了解復(fù)合材料T型共固化結(jié)構(gòu)的壽命和剩余強(qiáng)度十分重要。現(xiàn)有的無損檢測技術(shù)如射線，超聲波、紅外、激光散斑等技術(shù)對復(fù)合材料T型共固化結(jié)構(gòu)的檢測靈敏度低，難以發(fā)現(xiàn)較小的損傷。近年來，隨著聲發(fā)射檢測的技術(shù)研究取得了進(jìn)展，運(yùn)用聲發(fā)射參數(shù)分析技術(shù)可及時對損傷產(chǎn)生的位置和產(chǎn)生的時間進(jìn)行較為精確的判斷[1-3]。文章開展了飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T型元件的拉伸試驗(yàn)，利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測了復(fù)合材料T型元件拉伸載荷下的損傷發(fā)生過程，獲得聲發(fā)射信號特征，并通過分析各種不同損傷形式的聲發(fā)射特征來研究復(fù)合材料加筋共固化T型單元的破壞機(jī)理。

1 復(fù)合材料T型單元試驗(yàn)

1.1 T型試件

T型試件由T型筋條與蒙皮組成，共制作兩件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。T型筋條與蒙皮采用J116B膠膜共固化黏接。T型試件材料為T700/QY8911。具體鋪層如下所述。

圖1 T型接頭試件結(jié)構(gòu)示意

(1)T型筋條：由3層壓板組成，2層外層夾1層內(nèi)層。外層為子層1，內(nèi)層為子層2，對稱鋪層;子層1的鋪層為-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/-45/0/45[數(shù)值為碳纖維鋪設(shè)角度，單位為(°)，下同]，子層2的鋪層為45/0/-45/90/45/0/90/0/-45/90/45/0/-45。

(2)蒙皮：子層3鋪層為45/0/-45/90/0/45/0/-45/90/0/45/0/-45/0/45/-45。

1.2 疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)在Instron1195型疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件1采用分級加載的方式，當(dāng)加載過程中發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射異常信號時應(yīng)立即停止加載，進(jìn)行超聲C掃描檢測，并記錄檢測結(jié)果，然后繼續(xù)加載。試件2的加載方式為連續(xù)加載(從0載荷開始直至試件破壞)，加載速率為 0.5 mm·min-1。T型試件加載安裝現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 T型試件加載安裝現(xiàn)場

1.3 檢測方法

聲發(fā)射檢測：全程檢測并記錄試件在加載過程的聲發(fā)射信號參數(shù)(包括撞擊數(shù)、事件數(shù)、幅值、持續(xù)時間等)，分析聲發(fā)射信號參數(shù)變化趨勢，揭示試件的損傷發(fā)生過程。聲發(fā)射傳感器布置如圖3所示。聲發(fā)射設(shè)備型號為PCI-2，傳感器中心頻率為150 Hz。

圖3 聲發(fā)射傳感器布置示意

超聲C掃描檢測：試驗(yàn)前對每一個試件進(jìn)行詳細(xì)檢查，記錄試件的初始損傷狀況。分級加載試驗(yàn)過程中，當(dāng)聲發(fā)射傳感器檢測到異常信號時卸載，并檢查試件，記錄檢測結(jié)果。

2 聲發(fā)射信號分析結(jié)果

2.1 試件1

試件1的聲發(fā)射檢測信號如圖4～7所示。分析結(jié)果如下所述。

圖4 不同載荷下試件1的聲發(fā)射信號幅值

圖5 不同載荷下試件1的聲發(fā)射定位事件數(shù)

圖6 不同載荷下試件1的聲發(fā)射信號持續(xù)時間

圖7 不同載荷下試件1的聲發(fā)射撞擊數(shù)

(1) 第1級。此時聲發(fā)射信號幅值在70 dB以下[見圖4(a)]，定位事件數(shù)最大為5[見圖5(a)]，信號持續(xù)時間為1 300 μs[見圖6(a)]，圖7(a)所示的撞擊數(shù)變化也不明顯，信號應(yīng)為結(jié)構(gòu)變形引起。

(2) 第2級。該級發(fā)射信號有較大的變化，隨即卸載，此時聲發(fā)射信號幅值超過70 dB的信號明顯增多,最高達(dá)98 dB[見圖4(b)]，定位事件數(shù)顯著增大到52[見圖5(b)]，圖7(b)所示的聲發(fā)射撞擊數(shù)曲線突變明顯，說明有損傷產(chǎn)生，信號持續(xù)時間達(dá)40 000 μs[見圖6(b)]，表明此時試件內(nèi)部出現(xiàn)了較多的損傷形成了看似“連續(xù)”的事件。圖5(b)的定位事件數(shù)表明損傷起始的部位在筋條凸緣下方的蒙皮表面層(45°層)與表面第2層(0°)之間的夾層。用超聲波對其進(jìn)行C掃描檢測，未檢出損傷，原因可能是損傷為基體損傷且處于初期階段，超聲波無法檢出。

(3) 第3級。該級聲發(fā)射信號繼續(xù)增加，大幅值信號明顯增多[見圖4(c)]，定位事件數(shù)繼續(xù)增大到120[見圖5(c)]，定位事件數(shù)的變化還表明損傷已經(jīng)從起始的部位擴(kuò)展。圖6 (c)中的信號持續(xù)時間達(dá)92 000 μs，圖7的聲發(fā)射撞擊數(shù)曲線再一次跳躍增長至18 000，表明出現(xiàn)大面積的損傷，有可能是分層擴(kuò)展。用超聲波對其進(jìn)行C掃描檢測，未檢出損傷。原因可能是損傷為膠結(jié)區(qū)部分脫黏和部分纖維斷絲損傷，較輕微，超聲波無法檢出。

(4) 第4級。該級的聲發(fā)射信號表明損傷有一個緩慢的過程[見圖4(d)和圖5(d)]。結(jié)合圖7的聲發(fā)射撞擊數(shù)曲線的變化可知，載荷為2.13 kN時損傷加速擴(kuò)展，此時卸載對試件進(jìn)行C掃描檢測，發(fā)現(xiàn)試件已經(jīng)出現(xiàn)了宏觀損傷，該損傷位于試件R區(qū)的筋條凸緣和蒙皮交界處的膠接界面，損傷大小約為22 mm×10 mm(長×寬)，該損傷的C掃描圖像如圖8所示。該損傷表現(xiàn)為膠結(jié)區(qū)大面積脫黏和較多纖維斷絲，較嚴(yán)重，所以超聲波可檢。

圖8 不同載荷下試件1損傷的C掃描圖像

(5) 第5級。載荷為2.21 kN時，結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生快速擴(kuò)展并在載荷為2.22 kN時喪失承載能力，此載荷為結(jié)構(gòu)破壞載荷，破壞斷面如圖9所示。

圖9 不同載荷下試件1的破壞斷面

2.2 試件2

試件2的聲發(fā)射信號如圖10所示。 從圖10可以看出，連續(xù)加載至200 s(1.09 kN)時，信號幅值為50～70 dB，此時結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形并造成基體損傷；加載至220 s(1.19 kN)時，聲發(fā)射信號的撞擊數(shù)突然顯著增加，并有幅值大于70 dB的信號出現(xiàn)。圖10(b)中的信號持續(xù)時間達(dá)46 000 μs，表明此時試件內(nèi)部有零星脫黏和纖維斷絲產(chǎn)生。圖10(c)的定位事件數(shù)則表明損傷的起始點(diǎn)在兩個傳感器接頭的中心區(qū)域。圖10(d)表明復(fù)合材料脫黏損傷的聲發(fā)射信號大于70 dB，纖維斷絲損傷聲發(fā)射信號大于90 dB。連續(xù)加載至305 s(1.39 kN)時，聲發(fā)射信號再一次有較大的變化，聲發(fā)射信號的撞擊數(shù)較損傷形成時的撞擊數(shù)成倍增長，并有大量幅值大于70 dB的信號出現(xiàn)，信號持續(xù)時間為53 000 μs。這表明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量脫黏損傷和纖維斷絲，且脫黏損傷已經(jīng)開始擴(kuò)展，可能導(dǎo)致層間分層。連續(xù)加載至350 s(2.07 kN)時，聲發(fā)射信號再一次跳躍增長，信號持續(xù)時間達(dá)78 000 μs，大幅值信號明顯增多，表明結(jié)構(gòu)損傷從分層緩慢擴(kuò)展到開始快速擴(kuò)展，并在載荷為2.25 kN時完全破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載能力。圖10所示的聲發(fā)射信號反應(yīng)了復(fù)合材料加筋共固化T型單元的損傷演化過程的3個階段，與文獻(xiàn)[4]的分析一致。試件2的破壞斷面如圖11所示。

圖10 試件2的聲發(fā)射信號

圖11 試件2的破壞斷面

3 結(jié)語

(1) 復(fù)合材料T型單元的損傷過程中出現(xiàn)基體開裂、界面層間分層和纖維斷裂等損傷階段的聲發(fā)射信號特征明顯。

(2) 聲發(fā)射信號特征如幅值、撞擊數(shù)、持續(xù)時間等可以反映損傷的類型。基體開裂的信號幅值為50～70 dB；界面層間分層幅值為70～90 dB；纖維斷裂的信號幅值大于90 dB。撞擊數(shù)和持續(xù)時間與損傷出現(xiàn)的數(shù)量有關(guān)，定位事件與損傷出現(xiàn)的位置有關(guān)。

(3) 復(fù)合材料T型單元的拉伸過程中聲發(fā)射信號的變化趨勢可以反映結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)、擴(kuò)展、失效等變化過程。

(4) 在復(fù)合材料T型單元的拉伸過程中，當(dāng)剛出現(xiàn)聲發(fā)射異常信號時，超聲波無法檢出此時的損傷，當(dāng)損傷擴(kuò)展到一定面積時超聲波才可以檢出。由此可知，聲發(fā)射先于超聲波發(fā)現(xiàn)損傷。