胶层脱粘对金属胶接修理后剩余强度的影响研究

杨梦粤，李 磊

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

使用复合材料补片进行胶接修理是飞机金属结构维修的一个重要发展趋势。飞机金属结构的胶接修理与传统的金属补片机械修理相比，具有快速高效、无腐蚀、对原结构无损伤等诸多优点[1，2]。用复合材料胶接修理飞机金属结构的概念由澳大利亚于20世纪70年代首先提出[3]。国外，尤其是美国和澳大利亚等国，在飞机金属结构胶接修理技术方面的研究已经发展到一个比较成熟的阶段，这种修理技术已应用于飞机非关键结构的维修上，并且经过了实际飞行考验。结果表明，采用复合材料补片对金属结构的修理能够满足飞机结构的使用要求。目前，国外正在开展将胶接修理技术应用于飞机主承力结构的修理和验证，扩大该技术的应用规模和范围[4]。而国内则存在较大差距，需要开展系统的研究。

在进行胶接修理时，常发现补片下方存在一定区域的脱粘；此外，即使修理时无脱粘的结构，在使用一段时间后也可能出现胶层脱粘现象。脱粘的出现可能会对结构的剩余强度和疲劳寿命产生影响。脱粘出现位置的不同、尺寸的不同均会对结构的剩余强度和疲劳寿命产生不同的影响。为了研究脱粘对胶接修理后结构剩余强度的影响，本文进行了理论分析研究和试验验证。

2 理论分析研究

2.1 补片边沿附近的胶层应力分布

首先需要进行补片边沿附近的胶层剪应力分析。为方便分析，从简单二维情况开始考虑。取图1所示截面，其中有一个长2B厚tR的补片被胶接到厚tP的长条上，分析胶层应力的传递。在本文后面的公式中，均使用字母P、R、A的下标来区分母板、补片和胶层分别对应的物理参量。

图1 补片横截面

文献给出了补片下方的剪应力分布公式：

(1)

式中，S表示刚度比，β为剪应力传递系数，S和β分别见式(2)和式(3)。

(2)

(3)

2.2 裂纹附近的胶层应力

考虑图2所示的裂纹横截面，胶层的剪应力τA可以表示为下式：

图2 补片横截面(裂纹附近)

(4)

式中的S、β与公式(1)完全相同。

2.3 胶层剪应力分布公式

将上文考虑的二维平面应变情况结合在一起，则补片下方的剪应力分布函数可表示为：

(5)

式中，b表示剪应力传递的长度。如果认为胶层的剪应力由最大值衰减为原来的0.5%时胶层完成了母板与补片之间的载荷传递，则可由下式确定胶层参与承载的长度b：

τxmaxe-βb=0.5%τxmax

(6)

可解得，b=-ln0.005/β=5.3/β。

2.4 脱粘分析

将式(5)绘制成曲线，如图3所示。由图可以清楚地看出，胶层的剪应力从补片端头(y=±B)开始呈现指数形式的衰减，在裂纹附近也是如此。由于补片与母板之间的载荷传递是通过胶层的剪应力完成的，事实上胶接修理时载荷的传递仅出现在补片边沿附近长度为b的范围内和裂纹附近长度为b的范围内。

图3 胶层剪应力分布曲线

图4所示为用有限元绘制的矩形补片的胶层剪应力云图。由图可见，前面的理论解析分析结果和有限元分析结果是一致的，即母板与补片之间的应力传递(体现为胶层的剪应力)仅仅发生在补片边沿和裂纹附近，在其余区域母板与补片之间并不存在应力传递。

图4 补片下方的胶层剪应力云图

由于在除了补片边沿附近和裂纹附近区域，胶层并不承受任何应力，即这些区域的胶层本身并不承载，因此在这些区域内，胶层出现一定的脱粘也应该不会影响修理后结构的剩余强度。在裂纹附近和补片边沿附近，由于母板与补片之间的应力传递全部靠胶层承担，这些区域如果出现脱粘，必然影响母板、补片的应力分布，影响裂纹的应力强度因子。因此，补片边沿附近和裂纹附近的脱粘可能会影响到胶接修理的效率和结构修理后的剩余强度。据此，可以将补片进行分区，如图5所示：将补片边沿附近和裂纹附近称之为脱粘影响区，在这些区域出现脱粘会影响结构的性能和剩余强度；将其余区域称之为脱粘安全区，在这些区域出现脱粘并不会对结构的剩余强度产生大的影响。以下将进行试验以验证该理论分析结果。

(a)矩形补片

3 试验验证与分析

制备如图6所示的试验件。母板材料为LY12-cz，尺寸为280mm×70mm×1.85mm，中央有10mm穿透裂纹。采用CCF300/5228A复合材料补片对损伤进行胶接修理。补片尺寸为70mm×70mm×2.00mm，铺层为[45/0/-45/90]2s。补片和金属平板之间的胶层为J47中温结构胶。

图6 试验件尺寸和材料

使用超声(如图7所示)和红外两种方法对6件试验件的胶接区域进行胶层脱粘检测。图8给出了红外检测结果(图中标记为脱粘的区域也是超声所检测的结果，表明两种检测方法具有较好的一致性)：1号和2号试验件不存在胶层脱粘；3号和4号试验件的脱粘位置位于前面所说的脱粘安全区域内，但脱粘位置和脱粘程度均不相同；5号和6号试验件的脱粘位置离补片边沿很近，位于脱粘影响区内，但两者的脱粘位置和脱粘程度也不相同。

(a)正常区超声波检测波形照片

(a)1号试验件 (b)2号试验件

对6件修理后的试验件施加拉伸载荷，测试其拉伸剩余强度，图9所示为试验状态照片和试验件破坏模式照片，图10给出了试验结果。

图9 试验状态照片和试验件破坏模式照片

图10 试验结果柱状图

试验结果显示：3、4号试验件在脱粘安全区存在脱粘，相对于没有脱粘的1、2号试验件，3、4号试验件的剩余强度几乎没有变化；5、6号试验件在脱粘影响区存在脱粘，相对于没有脱粘的1、2号试验件，5、6号试验件的剩余强度均有一定程度的降低。试验结果与前面的理论分析是一致的：脱粘安全区域内由于胶层本身不承载，因此该区域内出现的胶层脱粘对结构的剩余强度几乎没有影响；脱粘影响区内由于胶层参与承载，因此该区域内出现的胶层脱粘会对结构的剩余强度产生影响。

4 结 论

经过前面的理论分析和试验验证，本文得出以下结论：

(1)胶层的剪应力从补片边缘和母板裂纹处开始呈现指数形式的衰减。

(2)胶接修理时载荷的传递实际上仅出现在补片边沿附近和裂纹附近范围内，除补片边沿附近和裂纹附近外，胶层的其余区域自身并不承载。

(3)可以将补片进行分区：将补片边沿附近和裂纹附近称之为脱粘影响区，在这些区域出现脱粘会影响结构的性能和拉伸剩余强度；将其余区域称之为脱粘安全区，在这些区域出现脱粘并不会对结构的拉伸剩余强度产生大的影响。