修理工艺对边缘封闭蜂窝夹层结构弯曲性能的影响

修理工艺对边缘封闭蜂窝夹层结构弯曲性能的影响

朱根平

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：复合材料因具有比强度和比刚度高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性，近年来在飞机结构中的用量激增。复合材料结构在制造和使用过程中不可避免会出现损伤，因此其结构的修理问题越来越受到人们的重视，复合材料修理效果成为当前复合材料修理方面的热点之一。飞机实际结构中大量使用蜂窝夹层结构，如雷达罩、客舱地板、各类装饰面板、各类整流罩、操纵舵面和梁腹板等，对蜂窝夹层结构修理后的力学性能开展研究是有必要的。

关键词：蜂窝夹层结构；挖补修理；抗弯强度；破坏模式；强度恢复率；

运用四点弯加载方式研究含损伤的边缘封闭蜂窝夹层结构修理后的弯曲性能，同时分析损伤直径、损伤类型和修理设备对修理板弯曲性能的影响。结果表明：所有修理板的抗弯强度恢复率基本处于90％以上；热压罐固化比热补仪固化效果稍好；胶接质量好的前提下，损伤大小对修理效果没有影响，然而损伤越严重，对胶接质量的要求就越高；修理后结构中央的抗弯强度恢复率比结构边缘损伤的高。

一、概述

夹层结构通常是由比较薄的板材作面板，比较厚的密度小的材料作芯子胶接而成，一般面板采用强度和刚度比较高的材料，而芯子支撑其间，使面板在承受压力时能够较好地保持弹性稳定性。夹层结构的特点是抗弯刚度较高，可以在最小质量下达到刚性结构件的要求，因此在飞机结构中有广泛的应用。研究铝蜂窝夹层结构在四点弯静力和疲劳作用下的破坏模式和破坏载荷；针对几类芯子的弯曲应力进行精确分析；研究蜂窝夹层结构的力学性能，分析了预置缺陷对弯曲性能的影响。针对修理后复合材料结构的承载能力进行了实验验证。国外一些学者对修理后复合材料结构开展了大量的实验研究。等针对修理后的蜂窝夹层结构进行四点弯测试，分析相关修理参数的影响；汪海等口胡研究轴压蜂窝夹层修理结构的强度及破坏模式。蜂窝夹层结构的主要损伤包括蒙皮和蜂窝芯的损伤、分层及脱胶。夹层结构承受弯曲载荷下常见的破坏模式：总体失稳，由夹层结构的弯曲刚度不够导致的；芯子剪切皱折，是由于芯子剪切模量过小，胶黏剂剪切强度过低，产生在挠曲之后的最终破坏；面板起皱，是由于胶黏剂平面压缩强度不够而产生面板向外凸出，或者芯子压缩强度不够而产生面板向内凹陷；蜂窝孔间面板失稳(起波)，是由于面板太薄，蜂窝孔太大，这种现象由于向临近蜂窝孔发展而可能引起破坏，从而导致面板起波；面板破裂，由面板强度不够，厚度不够导致的；芯子剪切破坏，由芯子剪切强度厚度不够导致的；芯子挠曲压塌，由芯子平面压缩强度不够导致的；芯子局部压损，是由芯子压缩强度太小导致的；面板与芯子分离是由面板与芯子胶接强度不够导致的。蜂窝夹层结构承受较大载荷时可能有以上几种破坏形式同时存在，设计蜂窝夹层结构时，需要对可能的破坏模式进行强度计算，其中弯曲载荷是结构使用过程中比较常见的载荷形式之一，因此本工作主要关注弯曲载荷作用下蜂窝夹层结构的弯曲性能，并观察其破坏模式。同时，针对含不同损伤位置的边缘闭合蜂窝夹层结构在不同的工艺状态下的修理效果对弯曲性能的影响进行分析，实现对工艺参数和修理方法的分析与设计。

二、破坏模式

采用四点弯曲实验方法测试实验件的弯曲性能，中间区域为实验段，上面板承压，下面板承拉，由于层压板抗拉强度通常比抗压强度高，所以通常的破坏模式是上面板发生压缩失效，褶皱或者劈裂。可以看出，蜂窝板的完好板在四点弯曲实验中上面板受压破坏，出现褶皱导致芯子压溃。损伤板的损伤区域是薄弱区域，通常会由孔边开始破坏，损伤扩展到自由边，面板沿中面折断，整个结构失去承载能力。然而对于修理结构，破坏模式是随着修理效果的好坏而变化的，可以发现修理后结构的破坏模式大致分为3类：胶层破坏、补片撕裂、中面折断破坏；补片中面折断，补片与母板没有发生脱胶；补片边缘面板折断，蜂窝压溃。在弯曲加载作用下，蜂窝夹层结构的下面板没有明显损伤。按照破坏模式进行分类，发现损伤板的破坏强度最低；修理板的相同破坏模式的破坏载荷相近，其中补片边缘折断修理板和补片中面折断修理板的破坏强度较高，与完好板相当；胶层破坏修理板的破坏强度相对较低。由此说明，不同破坏模式修理板的修理效果是不同的，而修理效果是随着损伤直径，损伤类型和修理设备等参数的变化而变化。

三、固化设备影响

1.使用两种固化设备固化修理结构，分别是热压罐和热补仪。热压罐的工艺原理是利用热压罐内部的高温气体产生压力对复合材料胚料(预浸料)进行加热、加压以完成固化成型的方法，使用起来投资大，成型过程中耗费能源多，操作过程比较复杂。热补仪是通过将加热毯覆盖在固化区域上，使用热电偶监控温度，采用真空袋装置施加一个大气压的压力，进行固化成型，使用方便简捷。对于面板边缘和面板中央两类损伤状态的修理实验件，热压罐修理效果比热补仪修理效果均略好一些。这是由于热压罐成型压力大，温度均匀，修理层和胶层之间的孔隙减少，固化效果好，而热补仪成型压力仅为一个大气压，通过加热毯加热保持温度，可能出现传热不均匀现象。但是热补仪修补之后，抗弯强度恢复率比热压罐减少约8．53％。由此可以说明，在外场使用或者考虑成本时，可以采用热补仪替代热压罐进行修理。

2.损伤直径影响。采用热补仪固化方法来分析不同损伤直径的修理效果。宽度相同、损伤直径不同的损伤结构破坏模式相似，但是破坏强度随着损伤直径的增大而降低。对于损伤后修理板，修理效果会对破坏载荷产生较大的影响，修理前需要将母板打磨成凹面，修理过程中的大损伤相对母板去除结构会比小损伤多，在修补前，母板本身的承载能力会随着打磨去除的增多而降低。如果胶接质量较高，胶接面的破坏强度相似，那么修补大损伤和小损伤的修理效果应该是一样的，但是如果胶接质量不好，那么胶层提前破坏，两种母板本身的承载能力不同，修理效果也会不同。直径为50mm实验件的破坏强度较低，其破坏模式为胶层破坏和补片撕裂。而直径为25mm实验件，补片没有撕裂，只是补片中间折断。两者的破坏模式主要差异是50mm损伤直径实验件的胶层发生破坏，说明该类实验件的胶接质量较差。而对于R—FCF型损伤直径为25ram和50mm的破坏模式相同，说明损伤直径不影响修补效果，由破坏模式相同说明两者的胶接质量相近。由R—FC型和R—FCF型的不同损伤直径实验件对比可以看出，在胶接质量较好的前提下，大损伤与小损伤修补后的强度相差不多。

3.损伤类型影响。采用相同的修理参数和热补仪固化方法，来分析不同损伤类型的修理效果。损伤情况分为结构中央单侧面板和芯子损伤、结构中央穿透损伤、结构边缘面板损伤以及结构边缘穿透损伤。损伤结构的抗弯强度占完好板抗弯强度的40％～60％，而修理之后的强度恢复率达到90％以上，说明修理效果很好，各类损伤类型修理后结构中央的修理效果比结构边缘修理效果好，这是由于结构边缘的结构形式和修理过程中胶接面都比较复杂，影响胶接质量。

总之，在选用的结构和材料体系下，采用热压罐固化修理效果比热补仪修理效果好，在外场使用时，可以用热补仪修补替代热压罐修补。胶接质量好的前提下，损伤大小对修理效果没有明显影响，然而损伤越严重，对胶接质量的要求就越高；结构边缘的胶接面比较复杂，影响胶接质量，减少强度恢复率。

参考文献：

[1]王静．探讨修理工艺对边缘封闭蜂窝夹层结构弯曲性能的影响．2019.

[2]刘凤英，浅谈修理工艺对边缘封闭蜂窝夹层结构弯曲性能的影响.2018.