基于預浸料挖補修理法的軌道車輛用CFRP結構修復研究

戶迎燦,張聯(lián)合,曾 宇,李勵宸,靳 凱*

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266000;2.中國海洋大學,山東 青島 266000)

近年來,隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,軌道交通工具的輕量化成為其發(fā)展方向之一[1]。碳纖維增強復合材料(CFRP)作為一種優(yōu)良的輕量化材料,因具有高的比強度和比剛度、優(yōu)良的耐腐蝕性、非常好的抗疲勞性,被廣泛應用于軌道交通領域,如軌道車輛的箱體、駕駛室、設備艙等[2-3]。

隨著CFRP的快速發(fā)展,CFRP結構件修補問題也隨之而來,對CFRP結構件的損傷部位進行去損及修復對其使用安全至關重要[4]。當前70%以上的CFRP結構件的修復是通過機械加工去除損傷部位后,再用預浸料鋪貼去損部位固化修復[5]。傳統(tǒng)的CFRP的去損方式包括銑削加工、鉆削加工和砂輪加工,但這3種方式的切削量均較大,且在高速下易產(chǎn)生大量的摩擦熱,導致CFRP表面熱損傷[6]。與傳統(tǒng)的機床加工相比,機器人打磨CFRP則具有更高的靈活性和可控性,通過調(diào)整機器人的抓握姿勢、磨削頭位置和壓力,可以優(yōu)化CFRP的磨削效率。

常見的CFRP結構件的修補方法有濕法修補、預固化修補和預浸料修補[7-8],其中預浸料修補具有修復時間短、效率高等優(yōu)點。M.ASHRAFI等[9]使用電流通過嵌入黏合層中的編織石墨-環(huán)氧樹脂預浸料產(chǎn)生的熱量來進行固化修復,提高了預浸料固化時的溫度均勻性。D.HOSKINS等[10]采用超聲波振動取代傳統(tǒng)真空袋法用于碳纖維-環(huán)氧樹脂預浸料的固化,結果表明超聲波固化的CFRP的層間剪切強度與真空袋法相當,但是超聲波固化容易引起CFRP分層范圍擴大,形成潛在損傷。LI G Q等[11]對層壓梁試樣進行低速沖擊預損傷,然后使用紫外線固化樹脂修復受損試樣,結果表明紫外線固化樹脂是一種快速、堅固、耐用、經(jīng)濟、有效的修復低速沖擊損傷復合材料層壓板的方法。張寧等[12]針對傳統(tǒng)補片固化工藝成本高、能耗大及成型時間長等問題,利用碳納米管薄膜作為加熱元件與復合材料預浸料補片進行集成,通過電加熱固化達到修補損傷結構的目的,但是在電加熱預浸料的過程中,由于電流直接通入使得碳纖維周圍局部溫度過高使得基體容易發(fā)生熱損傷。陳浩等[13]通過對光固化復合材料預浸料補片相關特性進行開發(fā)性、對比性試驗,優(yōu)化了補片的設計制備工藝,提高了補片的強度和壽命,縮短了補片的光固化時間,但是光固化效率較慢,不適合大批量修復。

作者基于碳纖維預浸料和挖補修理法修復受損地鐵壁板的CFRP層合板,研究了打磨斜度、打磨階梯數(shù)、修復補片結構等參數(shù)對修復件壓縮性能的影響,并利用數(shù)字圖像相關(DIC)測試系統(tǒng)探索了修復件的斷裂特性,以期為地鐵等軌道交通用復合材料損傷修復技術研究提供一定的指導和借鑒。

1 實驗

1.1 主要原料

編織帶阻燃預浸料：牌號ACTECH 1201FR/CW380TW-3,厚度0.25 mm,中航復合材料有限責任公司產(chǎn);單向帶阻燃預浸料：牌號ACTECH 1201FR/T700,厚度0.25 mm,中航復合材料有限責任公司產(chǎn);膠膜：牌號ACTECH 1201R220,厚度0.18 mm,單位面積質量(220±24)g/m2,中航復合材料有限責任公司產(chǎn);CFRP層合板：鋪貼結構為平紋編織,厚度為4 mm,預損傷深度為2 mm,直徑為10 mm的圓柱形缺陷,中車青島四方機車車輛公司提供。編織帶阻燃預浸料和單向帶阻燃預浸料的性能見表1。

表1 編織帶和單向帶阻燃預浸料的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of flame retardant prepreg for woven and unidirectional tapes

1.2 主要儀器與設備

FANUC/M20iD工業(yè)機器人、磨削高速主軸電機、金剛石磨頭：日本FANUC株式會社制;ACR MiniPRO熱補儀：美國briskheat公司制;Q-400 DIC應變測量儀：德國丹迪公司制;C52.105微機控制電子試驗機：新三思(上海)企業(yè)發(fā)展有限公司制。

1.3 實驗過程

圖1 打磨結構示意Fig.1 Schematic of grinding structure

表2 正交實驗設計Tab.2 Orthogonal experimental design

1.4 分析與測試

壓縮性能：采用微機控制電子試驗機,按ASTM D7137/D7137M—12[14]對CFRP層合板修復件試樣進行測試,得到試樣的載荷-位移曲線,然后按式(1)計算試樣的最大壓縮強度(P),按式(2)計算試樣的壓縮強度恢復率(Ph),按式(3)計算試樣的剛度(K),按式(4)計算試樣的剛度恢復率(Kh)。

P=F/S

(1)

Ph=P/Py×100%

(2)

K=F/δ

(3)

Kh=K/Ky×100%

(4)

式中：F為最大壓縮力,S為壓縮方向截面積,δ為形變大小,Py為未受損CFRP層合板的壓縮強度,Ky為未受損CFRP層合板的剛度。

裂紋DIC圖像：采用DIC測試系統(tǒng)從兩個角度對修復件進行拍照,其中一個鏡頭正對準修復件的正中心,另一個鏡頭偏離一定角度,獲得修復件壓縮斷裂前0.08 s的圖像,然后通過捕捉圖像像素點的位移量來判斷材料受壓而產(chǎn)生形變的區(qū)域,利用相關計算獲取相關區(qū)域的變形信息。

2 結果與討論

2.1 CFRP層合板修復件的壓縮性能

不同修復條件下CFRP層合板修復件的載荷-位移曲線如圖2所示。

圖2 CFRP層合板修復件的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of CFRP laminates repair parts試樣;試樣;3—1#試樣;4—2#試樣;5—3#試樣;6—4#試樣;7—5#試樣;8—6#試樣;9—7#試樣;10—8#試樣;11—9#試樣

2.2 影響CFRP層合板修復件壓縮性能的因素

從表3可以看出,3#試樣的壓縮性能最好,Ph達到98.6%,故對于4 mm厚CFRP層合板,采用打磨斜度為1：5,打磨階梯數(shù)為4,補片結構為[+45/-45]8s的工藝進行修復效果最佳。

表3 正交實驗結果Tab.3 Orthogonal experimental results

各因素對P的影響大小依次為補片結構、打磨階梯數(shù)、打磨斜度;對于補片結構,最優(yōu)結構為[+45/-45]8s,其次為[0/90]8s,編織效果最差,其原因是[+45/-45]8s在豎直方向上能夠承受的力最大,[0/90]8s次之,編織結構因鋪貼后層間連接較差,影響最終承力性能,效果最差;對于打磨階梯數(shù),2階梯最優(yōu),但與4階梯差別不大,0階梯與2階梯、4階梯差距較大,原因是0階梯的連接面積最小,所能承受和發(fā)散的力較小,一般階梯數(shù)越多,完整纖維越多,連接面積越大,所能承受的力也越大;對于打磨斜度,1：5的斜度修復性能最佳,其次為1：10,而1：15的斜度修復性能最差,其原因是當打磨斜度為1：15時,修補區(qū)過于接近母材邊緣,并且所能承受壓力的完整纖維較少,故對性能有所影響。

各因素對K的影響大小依次為補片結構、打磨階梯數(shù)、打磨斜度;對于補片結構,最優(yōu)結構為[+45/-45]8s,其次為編織結構,最差為[90/0]8s,其原因是K是抵抗彈性變形的能力,沿纖維方向上的K較大,垂直纖維方向上的K就較小,由于補片結構為[+45/-45]8s時,纖維各方向均能承受力,所以彈性變形量小,而[90/0]8s和編織結構豎直方向上的纖維較少,所以K較小;對于打磨階梯數(shù),4階梯最優(yōu),但與2階梯差別不大,0階梯與2階梯、4階梯差距較大,原因是0階梯打磨時,拋去損傷部位豎直方向上的完整纖維最少,所以K最小;對于打磨斜度,1：10的斜度稍優(yōu)于1：5與1：15,1：5與1：15差別不大,原因是打磨斜度為1：15時,修補區(qū)過于接近母材邊緣,并且所能承受壓力的完整纖維較少,而打磨斜度為1：5時,鋪貼難度大,容易造成性能下降。

2.3 CFRP層合板修復件的壓縮斷裂特性

CFRP層合板修復件的照片如圖3所示。

圖3 CFRP層合板修復件的照片F(xiàn)ig.3 Photos of CFRP laminates repair parts

從圖3可以看出,4#試樣修復后出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,裂紋總體上為橫向裂紋,且出現(xiàn)在補片周圍,其原因是0階梯打磨擴大了4#試樣的損傷面積,承力主要由膠膜承擔,并且使用編織結構補片造成連接力不夠,最終導致補片脫落,所以在CFRP層合板修復中需避免使用0階梯+編織補片的組合進行修復。

從圖4可以看出,在斷裂前一刻,CFRP層合板補片周圍均產(chǎn)生較大應變,1#、2#、3#試樣最大變形區(qū)間在2%～8%,4#、5#、6#試樣最大變形區(qū)間在8%～12%,7#、8#、9#試樣最大變形區(qū)間在6%～11%。這是因為1#、2#、3#試樣的打磨斜度為1：5,補片結構尺寸較小,膠膜承受的力較小,所以變形區(qū)間較小;4#、5#、6#試樣的打磨斜度為1：10,補片結構尺寸適中,膠膜承受的力較大,所以變形區(qū)間較大;7#、8#、9#試樣的打磨斜度為1：15,補片結構尺寸最大,膠膜承受的力最大,但是膠膜的強度較低,所以導致變形時斷裂反而縮小了變形區(qū)間,此外由于打磨斜度為1：15時,修補結構過于靠近板材邊緣,導致圓形應變區(qū)不完整。

圖4 CFRP層合板修復件斷裂過程的DIC圖像Fig.4 DIC images of fracture process of CFRP laminates repair parts

以8#試樣為例,其裂紋擴展過程如圖5所示。

圖5 8#試樣裂紋擴展過程示意Fig.5 Schematic of crack propagation process of sample 8#

從圖5可以看出,壓縮過程中,CFRP層合板修復件裂紋出現(xiàn)的過程極快,從完整試樣到產(chǎn)生最初的裂紋僅需要0.04 s,之后在較短時間內(nèi)迅速擴展成為較長裂紋,因為一旦產(chǎn)生了裂紋,應力就會集中在裂紋尖端,促進裂紋快速延伸。

3 結論

a.采用預浸料法修復4 mm軌道車輛用CFRP層合板時,較佳的工藝為打磨斜度1：5,打磨階梯數(shù)4階,補片結構[+45/-45]8s。

b.各因素對P的影響大小依次為補片結構、打磨階梯數(shù)、打磨斜度,各因素對K的影響大小依次為補片結構、打磨階梯數(shù)、打磨斜度。補片結構為[+45/-45]8s時修補性能最好;打磨階梯數(shù)為2階梯時修補性能最好但與4階梯差別不大;打磨斜度為1：5時修補性能最好。

c.CFRP層合板修復件壓縮過程中,裂紋能在極短時間內(nèi)出現(xiàn),并在較短時間內(nèi)迅速擴展;裂紋總體上為橫向裂紋,且易出現(xiàn)在補片周圍。

d.在CFRP層合板修復過程中,應避免使用0階梯+編織補片的組合進行修復,同時應避免修補時斜度過大,使修補區(qū)過于接近補板邊緣,造成修補效果不理想。