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18 复合环境下金属损伤复合材料胶接修复结构疲劳寿命试验研究 2015年12月 复合环境下金属损伤复合材料胶接修复结构疲劳寿命试验研究 穆志韬,牛勇,李旭东,周立建 (1.海军航空工程学院青岛校区,青岛266041;2.海军92635部队,青岛266041) 摘要:复合材料胶接修复技术在飞机金属损伤结构上得到了广泛应用,但修复结构在飞机服役期内仍受多种环境条件的 作用。为研究多种环境因素对修复结构的影响,利用碳/环氧复合材料补片,对含穿透性裂纹的LY12.CZ铝合金板进行了双面 胶接修复,采用试验的方法研究了这种修复方法的合理性,并通过t检验法,考核了复合环境条件对修复结构疲劳寿命的 影响。 关键词:复合材料胶接修复;铝合金;环境试验;疲劳试验;t检验法 ——— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2015)12001805 1引言 飞机服役期间,机体金属结构在大气腐蚀环境 和飞行疲劳载荷的作用下,会不可避免地造成结构 的腐蚀和疲劳损伤,如果不及时进行修理,会对飞行安全产生极大威胁¨ J。因此,金属损伤结构的修 理问题已引起了世界各国航空界的高度重视]。 复合材料的出现,为结构修理与加强提供了新的方 法。与传统修理方法相比,金属损伤结构复合材料 胶接修复以其结构增重少、抗疲劳性好、设计灵活、 可靠性高、便于原位修复等优越特性,逐步受到青 睐。由于复合材料胶接结构为多属性材料层合 结构,对其疲劳性能准确评估存在理论上的困难,尤 其是在环境因素影响下疲劳性能的评估难度更大, 因此试验手段成为研究此类问题的有效手段。 国外在此领域的研究起步较早,20世纪70年 代初期,BakerAA博士论述了复合材料补片胶接 修复技术相对于机械修补方式的优越性,并率先采 用这种方法修理了含损伤的飞机金属结构,后续又 通过理论与试验研究了补片、胶粘剂、表面处理及环 境等因素对修复结构疲劳性能的影响。Kumar等 对复合材料补片形状对中心穿透性裂纹板修复效果 的影响进行了试验研究,发现多边形修复效果最好, — 其次是长方形、椭圆形、圆形。HosseiniToudeshky等¨ 研究了含穿透性裂纹铝合金厚板复合材料单 面修复后的各面的裂纹扩展规律。国内也有相关研 究,王遵¨ 研究了残余热应力对单面修复含裂纹铝合金薄板的影响。王跃然等¨ 到通过试验研究了盐 雾环境对复合材料修复铝合金板疲劳性能的影响, 结果表明,随盐雾腐蚀时间的延长,修复结构的疲劳 寿命呈下降趋势。赵培仲等1研究了补片尺寸对 胶层应力分布的影响。 已有文献多数是对复合材料单面修复铝合金薄 板的研究,较少考虑环境因素对修复效果的影响,即 便进行研究,也往往局限于单一环境因素的影响,对 多环境因素共同作用下的影响研究较少。而实际飞 机结构受到多种环境因素影响,因此开展多种环境 因素下含损伤铝合金厚板复合材料双面胶接修复结 构疲劳性能研究是必要的。本文以厚度为lOmm的 LY12.CZ航空铝合金板为研究对象,分别对同一批 次双面修复结构进行紫外照射、湿热暴露及酸性盐 雾试验,考核环境因素对其疲劳眭能的影响。 2试验研究 2.1试验件制备 选用飞机结构中常见的LY12一CZ铝合金为研 究对象,厚度为10mm,利用线切割法预制20mm的 中心裂纹,补片选用T300碳/环氧复合材料,铺层顺 序为[0/45/-45/90],胶粘剂选用J150环氧树脂。 对LY12一CZ铝合金表面进行磷酸阳极化处理,改善 金属与胶粘剂的粘接性能。采用真空袋压法,将B —— 收稿日期:20150804 “ ” 基金项目:总装十二五预研项目(4010901030201) 作者简介:穆志韬(1963一),男,博士研究生导师,教授,主要研究方向为飞机结构腐蚀疲劳及寿命可靠性。 通讯作者:牛勇(1987.),男,博士研究生,主要研究方向为金属损伤复合材料胶接修复,niuyongshi@163.eom。 嘞 2015年第l2期 玻璃钢/复合材料 19 阶段复合材料预浸料和胶粘剂进行两步共固化。第一 阶段固化温度为80 ̄C,固化时间为150min;第二 阶段固化温度升高到120 ̄C,固化时间为150min,整 个过程中温度变化控制在3 ̄C/min左右。整个固化 过程中压强为0.1MPa,避免预浸料和胶粘剂的暴聚 现象,图1所示为修复试件结构示意图。随机抽取 Ⅳ 试验件,编号分别为:a1~a5、b1b5。 图1双面胶接修复试件结构示意图 — Fig.1Configurationofdoublesidebonded repairedstructure 2.2环境试验 取a1~a5共5件进行环境试验。试验内容依次 为紫外照射试验、湿热暴露试验、酸性盐雾试验。其 中,紫外照射试验,参照MIL-STD一810F中日照试验 的相关内容,温度=(55+5)oC,试件表面紫外辐射 平均强度为:Q=(50.0~70.0)W/m,试验进行24h。 湿热暴露试验,相对温度础=95+5%,温度71=(43+℃ 2),试验进行168h。酸性盐雾试验,温度=(35+℃2),所加盐水为质量分数为(5± 1)%的NaC1溶 液,并加入适量硫酸将pH值调至3.0~4.0,盐雾沉— 降量为(1.02.0)ml/(80cm・h),试验进行168h。 记录每一组试验件试验前后的重量变化。并对试验 件表面进行清理,用KH一7700三维光学显微镜对试 验件进行观察、测量。 2.3疲劳试验 疲劳试验参照GJB1997-1994在MTS810试验 机上进行,取a1~a5、b15及未修复裂纹板cl~c5 共15件进行疲劳试验,采用正弦波加载,轴向最大 载荷F=90kN,基准应力比R=0.1,加载频率,= 16Hz,采用PVC补偿,直至试件断裂终止试验,观察 并记录试验件的失效模式。 3结果与分析 3.1环境试验结果分析 由于环境试验件存放在干燥箱中,紫外照射试 验后试验件重量没有变化,外观形貌也没有明显变 化。湿热老化后,试件平均增重0.1g,判定为试验 件吸湿引起的增重,外观形貌有微小变化。酸性盐 雾试验后,试验件平均减重为0.4g,原因是铝合金 与酸性盐雾发生化学反应产生失重,失重的金属重 量大于补片吸湿重量,致使总的重量减轻,铝板外观 形貌变化明显,部分部位变黑,清除腐蚀产物后,出 现内眼可见腐蚀坑,复合材料补片外观无明显变化, 用三维光学显微镜测得其腐蚀坑平均深度在160 ̄m 左右,其微观形貌如图2所示。 图2酸性盐雾试验后试件微观形貌 Fig.2Themicro-morpho1ogyofspecimen afteracidsaltfogtest 3.2疲劳试验结果分析 就破坏形式而言,未做环境试验的修复试件及 未修复裂纹板均沿预制裂纹处断裂,环境试验后的 5个修复试件中有4件是沿预制裂纹处断裂,1件从 未修复位置断裂,原因为环境试验后铝板出现腐蚀 坑,产生应力集中,并形成新的疲劳源,从其断口可 以看出裂纹在腐蚀坑处开始萌生。疲劳试验结果如 表1所示。由于修复结构为多属性材料层合结构, 修复后试件的疲劳寿命变异系数大于未修复裂纹 板。且修复后试件的疲劳寿命均值大幅提升,约为 修复前的36.5倍。但环境试验前后试件疲劳寿命 变异系数较大,单从均值寿命无法判断环境作用对 修复试件疲劳寿命影响是否显著,因此要对试验结 果进行统计分析。 20 复合环境下金属损伤复合材料胶接修复结构疲劳寿命试验研究 2015年l2月 为最大限度地减少偶然因素的干扰,突出条件 因素,采用成对对比试验的t检验法对试验数据进 行处理,将a1一a5与b15的试验结果一一对应, 配成对子。如果取n个对子,则这n对子观测值可 以看作来自n个不同的母体。再考虑到a和b两种 处理,就共有2n个母体。将使用的符号及运算结果 列于表2和表3中。 表2对数疲劳寿命统计分析结果 Table2Thestatisticalresultsoflogarithmicfatiguelife LogarithmicMean0fnormalpopulation Numberfatiguelife I.t ̄iandof XandXbi xandX Normalpopulationof landXb 首先,提出假定条件如下¨ : (1)在表2第2列中的和分别表示处理a 和处理b试件的对数疲劳寿命。假定X和x都是 独立的正态变量。 (2)假定和的母体平均值都由两部分组 成,以公式表示为: =。△ △ +i,=6+ (1) 式中, △ 分别为经处理a和b后的结果; 为由偶然因索引起的干扰效应;。和各值示于表 △ 2第3列中。此处,假定在每个对子内干扰效应 相同,偶然因素与处理a和b无交互作用。 (3)对于同一处理的试件,母体标准差相同: 。口1 。口2… 。n 。 2) O'bl O'b2… O"bn O"b 但可以不等于。X和X的正态母体分 硼 峨 布示于表2第4列中。随机变量差数的数学期望和 方差计算结果如表3所列。 袁3差数的统计分析结果 Table3Marginstatisticalresults MarginX。一6ofrandomExpectationE(X口一6)VarianceVar(以一6)of “ variableXandX ofMarginX一 6 Margin6 由此可写出标准正态变量:: 圣: (3) :+:√— 一 如以s:表示从差数X正态母体中抽取的子样 方差: n一 ^∑ — ‘ [(xoX)一Xa一】 2 i=1——— —T一 — nl (4) 则(n一1)s/为一个按分布的随机变量, 其自由度为=n一1,即:z : (5) :+: 于是,由式(3)和式(5),可写出自由度为=n一 1的t,变量: U Xa一6一(一6) /(n一1)s (+;)X。一 6一(。一6)厂_——√ S (6) 2015年第12期 玻璃钢/复合材料 21 作统计假设:。=。在一次抽样中, 和 s分别取得和s值,则t的取值为: t= (7)——√ =n L,, Sa-6 环境试验前后修复试件对数疲劳寿命如表4所 示,求出5个对子的差数(一)及(一) 列于表4后两列。 表4对数疲劳寿命 Table4Logarithmicfatiguelife 由以下公式: 。一= {l_耋(一i)(8) (9) 求出这5个差数的平均值和标准差s分 别为0.1640和0.0389。代入式(7)求出t=9.428。 取=l%、=99%,已知=4,查阅t分布数 值表可得t=t=4.604。因t>t,所以两者差异 是显著的,环境试验后修复结构的对数疲劳寿命母 体平均值高于未做环境试验的修复件的对数疲 劳寿命平均值。。 当给定置信度时,根据式(6)和不等式一t< t<t,可估计出母体平均值差数(一)的所在 区间:X。一 6一(。一6)厂-一 —t<—√ n<t S 通过一次抽样,。一和s分别取得 和s 值,上式可写成: x。一 6一(。一6), —<— 一 7 经移项后得:一 tf--- < 一 < +t z"- (IO)— —— —— 06一<一6<。一6+√ n√ n 式(1O)即为母体平均值差数区间估计式。如 Ⅳ Ⅳ 以【。】。和【5。】分别表示两种处理的母体中值 疲劳寿命,则区间估计式还可写成:Sa- b<lg Sa-b(11t r ) 6 g +’ 所以99%置信度的区间估计式为: 1.2131< <1.7540 即:以99%的置信度,环境试验后试件的中值疲 劳寿命是未做环境试验修复试件中值疲劳寿命的 1.2131~1.7540倍。环境试验后疲劳寿命增加的原 因是紫外照射及湿热暴露条件下,环氧树脂胶粘剂 发生二次固化,使得胶体本身的内聚强度增加,胶层 抗剪切能力增强,更好地实现了载荷在铝板和补片 之间的传递。同时,未修复部位的铝板出现了腐蚀 坑,这些缺陷有裂纹萌生的趋势,这种趋势消耗了一 部分疲劳载荷的能量,一定程度上延缓了修复部位 的裂纹扩展行为。两者综合作用,使得环境试验后 的疲劳寿命高于未做环境试验的修复试件。 4结论 (1)对于含穿透裂纹的铝合金厚板,经复合材 料双面胶接的修复后,损伤试件的疲劳寿命有较大 提升,疲劳寿命均值约为修复前的36.5倍,是一种 高效的修复方法; (2)环境试验后,修复试件的疲劳寿命较环境 试验前有所提升,采用t检验法求得置信度为99% 时,环境试验后试件的中值疲劳寿命为环境试验前 的1.2131~1.7540倍; (3)紫外照射及湿热暴露会使环氧树脂胶粘剂 发生二次固化,胶层的抗剪切能力增强,更好地实现 金属与补片之间的载荷传递,提升胶接修复效果。 参考文献 [1]穆志韬.海军飞机结构腐蚀损伤规律及使用寿命研究[D].北 京:jE京航空航天大学,2001. [2]穆志韬,曾本银,等.直升机结构疲劳[M].北京:国防工、I出 22 复合环境下金属损伤复合材料胶接修复结构疲劳寿命试验研究 2015年12月 — 版社,2009.1415. [3]苏维国,穆志韬,王朔.金属裂纹板复合材料胶接修补结构裂纹 扩展行为研究[J].沈阳航空航天大学学报,2014,31(1):— 3740. [4]苏维国,穆志韬,朱做涛,等.金属裂纹板复合材料单面胶接修 — 补结构应力分析[J].复合材料学报,2014,31(3):772780. — [5]BakerAA.Repairofcrackedordefectivemetallicaircraftcompo nentswithadvancedfibrecomposites[J].CompositeStructure,1984,— 2(2):153181. [6]QudadW,B.BachirBouiadjra,BelhouariM,eta1.Analysisofthe plasticzonesizeaheadofrepairedcrackswithbondedcomposite patchofmetallicaircraftstructures[J].ComputerMaterialScience,— 2009,46:950954. [7]A.Albedah,B.BachirBouiadjra,W.Ouddad,eta1.Elasticplastic analysisofbondedcompositerepairincrackedaircraftstructures[J]. — JoumalofReinforcedPlasticsofComposites,2011,30(1):6672. [8]GayleneDeniseKennedy.Repairofcrackedsteelelementsusing compositefibrepatching[D].Edmonton,Alberta:UniversityofA1- berta,1998. [9]BakerAA.Fibercomposierepairofcrackedmetallicaircraftcompo.— nentpracticalandbasicaspects[J].Composites,1987,18(4):— 293307. 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