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4.2.2　補片的尺寸對于貼補式修補而言,與補片尺寸直接相關的參數(shù)是搭接長度(補片長度)。對于雙面搭接,存在一個與最大可用強度相對應的臨界搭接長度,通常為20ｍｍ～30ｍｍ,采用更長的搭接長度不會增加承載能力。優(yōu)化設計的要求是補片的面內(nèi)剛度與母板的一致。由于貼補修補可作為雙面搭接的一半來處理,在補片材料與母板材料的彈性模量相同的情況下,最佳的補片厚度應該是母板厚度的一半。理論計算結果表明:當裂紋長度恒定時,增加補片的寬度,可以提高結構的修補效果,但當補片的寬度增至一定值,結構的修補效果提高甚微。另一方面,補片的長度存在一個最優(yōu)值,使得裂紋尖端的應力強度因子最小。增加補片的厚度,可以提高結構的修補效果,但膠層內(nèi)的最大剪應力也隨之提高,為避免脫粘,補片的厚度也有一上限值。4.2.3　補片的鋪層為獲得最佳的膠接修補效果,復合材料補片的纖維方向(主軸方向)應盡量同損傷結構中的最大受力方向保持一致。由于載荷方向和層壓板諸多設計約束的限制,補片的鋪層通常沒有更多的選擇余地,纖維的0°、45°和90°鋪層的比例一般在30∶55∶15左右,而0°方向則與主受力方向一致。5　修補無損檢測和試驗驗證5.1　修補的無損檢測修補檢測的任務首先是選擇合適的無損檢測方法,按照規(guī)定的程序和周期,對在役復合材料結構進行無損檢測和確定損傷部位、損傷大小,為復合材料宇航材料工藝修補提供判斷依據(jù);其次是對損傷結構經(jīng)過修補后的質量進行無損檢測,評定損傷修補程度和完好性。迄今為止,國內(nèi)外學者在無損檢測及界面的粘結質量評估方面開展了一些卓有成效的研究工作,提出的無損檢測方法有十幾種,但能有效地用于復合材料損傷修補檢測的方法主要有:目視檢測、敲擊法、阻抗法、諧振法、Ｘ射線法、激光全息法、紅外熱圖法、超聲法、聲發(fā)射法。據(jù)文獻報道,陳金龍等人把偏振相移技術引入錯位散斑之中,建立了一套具有非接觸、高精度和全場實時觀測等特點的測試系統(tǒng),完成了對雙材料界面的粘接狀況的研究,并做定量分析和處理,實現(xiàn)了雙材料界面粘接質量的定量無損檢測。Ｃｈｉ ｕ等人首先提出了“智能結構”的概念,作為對母體結構補片膠接修補后的在役性能的評估手段。Ｙ.Ｌ.Ｋｏｈ等人將智能材料結構應用于無損檢測,以壓電陶瓷(ＰＺＴ)作為傳感/激勵元件,當ＰＺＴ粘在損傷區(qū)上,采用阻抗法進行實時局部檢測,可確定損傷的出現(xiàn);當需要遠程傳感時,則采用轉換功能法確定修補中脫粘的范圍。將兩種方法有機結合,便可檢測出修補中的損傷和母體中的損傷擴展情況5.2　修補的試驗驗證對修補結構的試驗驗證主要包括性能驗證、結構驗證和部件驗證,其中性能驗證包括強度試驗、疲勞壽命試驗、濕熱環(huán)境下的耐久性試驗及損傷容限評定試驗等,以評價修補后的結構是否滿足環(huán)境適應性要求和結構完整性要求。6　補片膠接修補研究方法補片膠接修補的研究方法主要包括:理論分析與計算和實驗研究。6.1　理論分析與計算理論分析與計算的目的是在實施修補之前,對損傷區(qū)的剛度和強度降低情況給出基本評估,對擬采取或確定的修補措施給出修補后的剛度和強度恢復情況的預估,從而減小試驗件的投入成本、縮短修補周期、提高修補設計水平。對那些無法進行試驗驗證的關鍵部位的損傷修補問題,理論分析就顯得尤為重要。理論分析與計算主要采用解析法和數(shù)值法。6.1.1　解析法Ｅｒｄｏｇａｎ等人根據(jù)Ｍｕｓｋｈｅｌｉｓｈｖｉｌｌｉ的平面彈性理論,用復變函數(shù)方法分析了膠接修補結構中的應力分布和裂紋尖端的應力強度因子。在該分析模型中,膠層被認為是各向同性材料,并考慮其彈塑性變形;裂紋板和補片均處于平面應力狀態(tài),兩者之間的作用力通過膠層的剪切變形而實現(xiàn),膠層對裂紋板和補片的剪切力,在各自厚度上均勻分布,用位移協(xié)調條件建立方程組,問題最終歸結為解1個第2類的Ｆｒｅｄｈｏｌｍ積分方程組。Ｒｏｓｅ[18,19]等人根據(jù)廣義平面應力的彈性包容理論,通過對應力集中系數(shù)、膠層應力和裂紋尖端應力分量這三個無量綱參數(shù)的分析計算,對單側修補結構中的單面和雙面貼補法的修補效果進行了研究。整個計算過程分為兩個階段:在第一階段的分析中假設補片膠接到一塊沒有損傷的金屬板上,并引入剛性膠接假設(金屬板和復合材料補片之間沒有相對位移),根據(jù)彈性包容理論計算膠接修補區(qū)內(nèi)金屬板上的應力值;在第二階段的分析中,則在金屬板上引入一條裂紋,用近似方法估算裂紋尖端的應力強度因子值,并給出了修補效果比較,即雙面貼補優(yōu)于單面貼補,因為單面貼補中的面外彎曲會導致修補效率下降和補片及膠層中的應力升高。而加厚補片可有效降低補片下裂紋的應力集中。解析法計算時間短、費用低,在研究各參數(shù)的變化對膠接修補效果的影響時非常方便。但對補片的參數(shù)有很大的限制;計算精度低,且誤差分析困難。6.1.2　數(shù)值法Ｊｏｎｅｓ等人采用平面有限元模型對含裂紋結構的復合材料補片膠接修補問題進行了研究。由于受平面分析模型的限制,分析模型中忽略了單面膠接修補引起的彎曲變形和結構不對稱對結果的影響。Ｓｕｎ等人基于Ｍｉｎｄｌｉｎ平面理論,假設沿板的厚度方向位移線性分布,這樣就可以考慮單面膠接修補結構中彎曲變形對計算結果的影響。ＲａｎｄｏｌｐｈＡ.Ｏｄｉ和ＣｌｉｆｆｏｒｄＭ.Ｆｒｉｅｎｄ對復合材料膠接修補中常用的三個有限元模型,即:ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應變模型、ＢＡＩＲ的準三維復合材料殼元模型和三維塊體元模型進行了對比計算,給出了相應的分析結論:ＢＡＩＲ模型與傳統(tǒng)的二維模型相比,母板、補片及膠層的面內(nèi)應力計算結果符合良好,但得到的膠層剪應力結果可靠性較差;ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應變模型因自身單元品質,無法給出準確的鋪層應力;三維模型計算較準確,但計算時間較長。關于這方面的研究工作主要集中在兩個方面:首先是改進膠層的分析模型以改善計算精度;其次是計算膠接修補結構中的殘余熱應力對應力分布、裂紋尖端應力強度因子及疲勞裂紋擴展速率的影響。有限元分析方法適用范圍較廣,對結構形狀和補片的鋪層沒有限制,且計算精度較高,在飛機結構的實際膠接修補分析中普遍采用。一些學者還針對某些具體問題開展了部分研究工作。如Ｍ.Ｊ.Ｄａｖｉｓ和Ｄ.Ａ.Ｂｏｎｄ對幾種常見的飛機膠接結構及膠接修補后的破壞模式和破壞機理進行了研究。通過對許多試件進行解剖剝離,給出了各種真實的破壞模式和破壞機理描述,也指出了搞清楚這些破壞模式和破壞機理對于正確選擇膠粘劑、修補材料、修補參數(shù)、修補工藝及測試方法的重要性。Ｊ.Ｗ.Ｃｈｏｉ等人對石墨/環(huán)氧復合材料采用三種修補方法(單面預固化補片法、雙面預固化補片法和實地固化法)進行了強度研究,得到了強度恢復率為無缺口件的60%～80%的結論。通過采用基于疲勞剛度降低模型和參考剛度的Ｈｗａｎｇ和Ｈａｎ方程(ＭＦＬＰＥ1修正的疲勞壽命方程)對修補后試件的疲勞壽命進行了預測,并同傳統(tǒng)的Ｓ—Ｎ曲線疲勞壽命方程進行了比較。6.2　實驗研究Ｒａｔｗａｎｉ等人詳細研究了補片材料、尺寸和鋪層設計及環(huán)境條件(溫度和相對濕度)對膠接修補結構疲勞壽命的影響。Ｓａｎｄｏｗ和Ｃａｎｎｏｎ考察了2024—Ｔ3鋁合金板的厚度、膠粘劑種類(40℃固化的Ｋ138和120℃固化的ＡＦ163)、疲勞載荷類型(等幅譜和隨機譜)及補片鋪層設計等因素對結構疲勞壽命的影響。Ｄｅｎｎｅｙ研究了膠層脫膠位置、脫膠尺寸及初始裂紋長度、最大應力和應力比對疲勞裂紋擴展速率和結構疲勞壽命的影響。Ａｌａｗｉ和Ｓａｌｅｈ研究了補片的形狀、尺寸,膠接修補方式(單面或雙面)及試件的表面質量對疲勞裂紋擴展速率的影響,認為膠接修補結構中疲勞裂紋擴展速率發(fā)生變化的根本原因是Ｐａｒｉｓ裂紋擴展過程中材料結構常數(shù)的改變,因此通過對疲勞試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,擬合出各種典型修補情況的Ｐａｒｉｓ裂紋擴展公式中材料常數(shù)。7　結束語復合材料補片膠接修補無論對于航空航天還是復合材料領域都是非常重要的。雖然近30年來,已有很多學者對復合材料補片膠接修補作了許多細致有益的工作,但是復合材料補片膠接修補中仍然存在一些困難和不盡如人意之處,有待進一步的研究。(1)由于復合材料補片與金屬材料的熱膨脹系數(shù)相差很大,結構在高溫固化后冷卻到室溫時,修補結構中存在殘余熱應力和殘余熱應變。在實際的膠接修補中,采用何種復合材料,既經(jīng)濟又能與金屬母體材料的熱膨脹系數(shù)相匹配。(2)采用碳/環(huán)氧復合材料補片修補鋁合金結構時,兩者之間易發(fā)生電化學反應,采用什么措施,才能有效防范。