复合材料蜂窝夹层结构的局部脱粘缺陷修补评价.pdf

２０１４年第８期玻璃钢／复合材料６７复合材料蜂窝夹层结构的局部脱粘缺陷修补评价张娅婷，陈亮，李健芳，付平俊（航天材料及工艺研究所，北京１０００７６）≤摘要：对于复合材料蜂窝夹层结构中出现的局部脱粘缺陷（ｚ１００ｍｍ），提出局部注射修补的方法，依托ＡＮＳＹＳ商业有限元软件建立有限元模型，并结合试验考察局部注射修补方法对局部脱粘缺陷的修补效果。结果表明，对于局部脱粘缺陷，局部注射修补后压缩强度能达到原有的８０％左右，建立的有限元模型能够较为准确地预测蜂窝夹层试样的压缩强度和破坏模式。关键词：复合材料；蜂窝夹层；脱粘缺陷；局部注射修补；压缩强度中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１４）０８００６７０５ｌ引言复合材料蜂窝夹层结构通常由高强度、高刚度的面板和低密度的蜂芯组成，具有重量轻、刚性大、耐疲劳、可设计性强等特性¨Ｊ，目前已被广泛应用于航空、航天等领域。碳环氧面板／蜂窝夹层结构件在运载火箭上常用于大型结构承力部件，在固化过程中由于产品结构形式、加压时间、结构胶膜等原因，≤会出现ｚｌＯＯｍｍ的局部脱粘缺陷，占产品可探伤面积的１％以内。脱粘缺陷的存在对夹层结构的力学性能会造成一定的影响Ｊ，导致夹层结构的压缩强度下降明显Ｊ。文献［５］的试验表明，较小的脱粘区域就会引起板一芯之间抗剥离强度的严重降低，如当脱粘面积占整个粘合面积的３％时，板芯的粘合强度只有完好结构强度的４８％。对于大型产品来说，在保证产品整体质量的前提下，采取适当的修补措施，可以提高产品局部强度，降低产品报废率，有助于节约成本。局部打孔注射修补法涉及产品面积小，相比混合修补、挖补等方“法简单易行。叫，对产品外观无明显影响。本文针对碳环氧面板／蜂窝夹层结构中常出现的局部板一芯脱粘缺陷，通过将有限元计算与试验相结合，针对蜂窝夹层结构的局部脱粘缺陷，采用局部打孔注射法对缺陷处进行修补，并对修补效果进行评价。２材料与实验针对蜂窝夹层结构部件的主要承力方向，拟对夹层试样进行侧向抗压强度的力学性能测试，以模拟实际承载环境。侧向抗压试验常用来测定夹层结构在平行于夹层板平面方向的抗压性能，侧向抗压强度可以作为判断夹层结构承载能力的基础。通常情况下，蜂窝夹层板在受侧向压力载荷时，破坏模式一般可以分为以下几种：夹层结构整体屈曲、面板整体屈曲、面板断裂、面板分层、蜂芯剪切断裂以及板．芯脱粘。对于含板．芯脱粘缺陷的蜂窝夹层板，脱粘区域面板的局部屈曲是其典型的破坏模式。２．１原材料Ｔ３００／６４８湿法预浸料、Ｔ３００碳布／６４８湿法预浸料、０．０５×４ｒａｍ铝蜂窝夹芯，航天材料及工艺研究所生产；Ｊ４７系列中温胶膜、Ｊ一２２室温固化胶，黑龙江石油化工研究院生产。２．２试样制备２．２．１Ｔ３００／６４８复合材料面板的制备裁取一定尺寸的Ｔ３００／６４８湿法预浸料，按卫星支架面板铺层顺序［Ｃ／０／Ｃ］制作铺层板，热压罐固化，按６４８环氧树脂的固化工艺执行。２．２．２蜂窝夹层结构试样的制备采用碳面板、规格为０．０５×４×８．８ｒａｍ的无孔铝蜂窝夹芯及Ｊ－４７系列中温固化胶膜，制作了无脱粘缺陷试样、板一芯脱粘修补试样和板一芯脱粘试样，每组５个试样，名义尺寸为１６０×６０×１０ｒａｍ，其中板一芯脱粘缺陷位于试样的中心，尺寸为￣ｂ２５ｍｍ，脱粘缺陷均为单面脱粘。试样固化后经无损检测，进一步确定缺陷的位置和尺寸，圆形缺陷平均尺寸为￣ｂ２８ｍｍ，脱粘缺陷宽度占试样宽度的４７％，脱粘面积占整个试样面积的６．４％。根据ＧＢ／Ｔ１４５４－２００５（夹层结构侧压性能试验收稿日期：２０１４－０２－２６本文作者还有黄智彬和张霄楠。作者简介：张娅婷（１９８３。），女，硕士研究生，工程师，主要从事树脂基复合材料的成型研究。、，Ｃ＆誊｜ｏ．毽２０１４年第８期玻璃钢／复合材料７１５修补案例某运载火箭卫星支架是上端外径约１．２ｍ，下端外径约１．８ｍ的锥形碳纤维复合材料面板／铝蜂窝夹层结构部件，是运载火箭上面直接与卫星对接的关键部件。某编号卫星支架固化后经无损探伤，发现２处脱粘缺陷，脱粘面积分别为１３８Ｘ５５ｍｍ和７５Ｘ３０ｍｍ，约占产品总面积的０．３２％，按照本文介绍的局部打孑Ｌ注射修补方式，修补后经无损探伤，未发现脱粘缺陷，该产品现已成功飞行。６结论（１）局部脱粘缺陷宽度占蜂窝夹层试样宽度４７％时，未修补试样的压缩强度只能达到无缺陷试样的５０％，打孔注射修补后实际压缩强度能达到８０％左右，说明该修补方法对产品的整体性能影响不大，可以为设计方进行强度复核时提供依据；（２）通过ＡＮＳＹＳ软件建立有限元模型能够较为准确地预测蜂窝夹层脱粘试样和脱粘修补试样的压缩强度和破坏模式。参考文献［１］汪亮，孙玲．变截面蜂窝夹层结构复合材料胶接工艺研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，３：６５－６７．［２］ＧｏｓｗａｍｉＳ，ＢｅｅｋｅｒＷ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆａｃｅｓｈｅｅｔ／ｅｏｒｅｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｉｎ—ｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｎｄｅｒｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ３．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｔｒｕｃｅｔｕｒｅｓ．２０１１，５４：５１５－５２１．［３］赵美英，孙晓波，万小朋．蜂窝夹芯结构板芯脱胶修补研究［Ｊ］．航空学报，２００３，２４（５）：４７４４７６．［４］泮世东，吴林志，孙雨果．含面芯界面缺陷的蜂窝夹芯板侧向压—缩破坏模式［Ｊ］．复合材料学报，２００７，２４（６）：１２１１２７．［５］ＶａｄａｋｋｅＶ，ＣａｒｌｓｓｏｎＬＡ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｍｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｒｅｓ－ｓｉｏｎｆａｉｌｕｒｅｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｓｐｅｃｉｍｅｎｔｓｗｉｔｈｆａｃｅ／ｃｏｒｅｄｅｂｏｎｄ『Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＢ，２００４，３５：５８３－５９０．［６］邹国发，龙国荣，万建平，严旭，陆榕海，马军．树脂基复合材料蜂窝夹层结构修补技术研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００５，（６）：４２４４．［７］李小刚，赵美英，万小朋．复合材料胶接修补参数优化研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（１）：２８．３１．［８］蔡建丽，余欢，王云英，熊林冬．玻璃钢蜂窝夹层结构制品常见缺陷修补技术［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（１）：４４－４７．【９］沃西源，黄云．碳／环氧面板．铝蜂窝夹层结构件损伤修补工艺—［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００３，（１）：３５３９．［１０］薛克兴．复合材料结构的损伤与修补［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９２．［１１］薛克兴．复合材料结构的损伤与修补［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９９１，（２）：１５－１９．［１２］孙红卫，颜鸿斌，傅盛鸿，凌英，顾兆旃．蜂窝夹层结构的灌注修补工艺研究［Ｊ］．宇航材料工艺，２００１，（１）：３７．３９．［１３］泮世东，吴林志，孙雨果．含面芯界面缺陷的蜂窝夹芯板侧向—压缩破坏模式［Ｊ］．复合材料学报，２００７，２４（６）：１２１１２７．—［１４］ＶａｄａｋｋｅＶ，ＣａｒｌｓｓｏｎＬＡ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｍｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｆａｉｌｕｒｅｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｓｐｅｃｉｍｅｎｔｓｗｉｔｈｆａｃｅ／ｃｏｒｅｄｅｂｏｎｄ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｐａｒｔＢ，２００４，３５：５８３－５９０．’’ＥＶＡＬＵＡＴＩｏｏＬｏＣＡＬＲＥＰＡＩＲ０ＦＤＥＢ０ＤｌＧＤＥＥＣＩＳｌＣｏＭＰｏＳＩＴＥＨｏＮＥＹＣｏＭＢＳＡＮＤＷＩＣＨＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ—ＺＨＡＮＧＹａｒｉｎｇ，ＣＨＥＮＬｉａｎｇ，ＬＩＪｉａｎ－ｆａｎｇ，ＦＵＰｉｎｇ－ｊｕｎ（ＡｅｒｏｓｐａｃｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ＆ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）≤Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｃａｌ－ｉｎｊｅｃｔｉｎｇｒｅｐａｉｒｉｓｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄｆｏｒｄｅｂｏｎｄｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓ（Ｚ１００ｍｍ）ｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｈｏｎｅｙ－ｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｒｅｐａｉｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎ—ＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｃａｎｒｅａｃｈ８０％ｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｓａｍｐｌｅａｆｔｅｒｌｏｃａｌ－ｉｎｊｅｃｔｉｎｇｒｅｐａｉｒ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｃｏｕｌｄｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｐｌａｔｅｓｅｘａｃｔｌｙ．——Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｄｅｂｏｎｄｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓ；ｌｏｃａｌｉｎｊｅｃｔｉｎｇｒｅｐａｉｒ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈＦＲＰＣＭ２０ｉ４Ｎ￣．８