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4.2.2　補(bǔ)片的尺寸對(duì)于貼補(bǔ)式修補(bǔ)而言,與補(bǔ)片尺寸直接相關(guān)的參數(shù)是搭接長(zhǎng)度(補(bǔ)片長(zhǎng)度)。對(duì)于雙面搭接,存在一個(gè)與最大可用強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的臨界搭接長(zhǎng)度,通常為20ｍｍ～30ｍｍ,采用更長(zhǎng)的搭接長(zhǎng)度不會(huì)增加承載能力。優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求是補(bǔ)片的面內(nèi)剛度與母板的一致。由于貼補(bǔ)修補(bǔ)可作為雙面搭接的一半來(lái)處理,在補(bǔ)片材料與母板材料的彈性模量相同的情況下,最佳的補(bǔ)片厚度應(yīng)該是母板厚度的一半。理論計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)裂紋長(zhǎng)度恒定時(shí),增加補(bǔ)片的寬度,可以提高結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果,但當(dāng)補(bǔ)片的寬度增至一定值,結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果提高甚微。另一方面,補(bǔ)片的長(zhǎng)度存在一個(gè)最優(yōu)值,使得裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子最小。增加補(bǔ)片的厚度,可以提高結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果,但膠層內(nèi)的最大剪應(yīng)力也隨之提高,為避免脫粘,補(bǔ)片的厚度也有一上限值。4.2.3　補(bǔ)片的鋪層為獲得最佳的膠接修補(bǔ)效果,復(fù)合材料補(bǔ)片的纖維方向(主軸方向)應(yīng)盡量同損傷結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)約束的限制,補(bǔ)片的鋪層通常沒(méi)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(bǔ)無(wú)損檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證5.1　修補(bǔ)的無(wú)損檢測(cè)修補(bǔ)檢測(cè)的任務(wù)首先是選擇合適的無(wú)損檢測(cè)方法,按照規(guī)定的程序和周期,對(duì)在役復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和確定損傷部位、損傷大小,為復(fù)合材料宇航材料工藝修補(bǔ)提供判斷依據(jù);其次是對(duì)損傷結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)修補(bǔ)后的質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),評(píng)定損傷修補(bǔ)程度和完好性。迄今為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在無(wú)損檢測(cè)及界面的粘結(jié)質(zhì)量評(píng)估方面開(kāi)展了一些卓有成效的研究工作,提出的無(wú)損檢測(cè)方法有十幾種,但能有效地用于復(fù)合材料損傷修補(bǔ)檢測(cè)的方法主要有:目視檢測(cè)、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(xiàn)報(bào)道,陳金龍等人把偏振相移技術(shù)引入錯(cuò)位散斑之中,建立了一套具有非接觸、高精度和全場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)等特點(diǎn)的測(cè)試系統(tǒng),完成了對(duì)雙材料界面的粘接狀況的研究,并做定量分析和處理,實(shí)現(xiàn)了雙材料界面粘接質(zhì)量的定量無(wú)損檢測(cè)。Ｃｈｉ ｕ等人首先提出了“智能結(jié)構(gòu)”的概念,作為對(duì)母體結(jié)構(gòu)補(bǔ)片膠接修補(bǔ)后的在役性能的評(píng)估手段。Ｙ.Ｌ.Ｋｏｈ等人將智能材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè),以壓電陶瓷(ＰＺＴ)作為傳感/激勵(lì)元件,當(dāng)ＰＺＴ粘在損傷區(qū)上,采用阻抗法進(jìn)行實(shí)時(shí)局部檢測(cè),可確定損傷的出現(xiàn);當(dāng)需要遠(yuǎn)程傳感時(shí),則采用轉(zhuǎn)換功能法確定修補(bǔ)中脫粘的范圍。將兩種方法有機(jī)結(jié)合,便可檢測(cè)出修補(bǔ)中的損傷和母體中的損傷擴(kuò)展情況5.2　修補(bǔ)的試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證主要包括性能驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和部件驗(yàn)證,其中性能驗(yàn)證包括強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、濕熱環(huán)境下的耐久性試驗(yàn)及損傷容限評(píng)定試驗(yàn)等,以評(píng)價(jià)修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)是否滿足環(huán)境適應(yīng)性要求和結(jié)構(gòu)完整性要求。6　補(bǔ)片膠接修補(bǔ)研究方法補(bǔ)片膠接修補(bǔ)的研究方法主要包括:理論分析與計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。6.1　理論分析與計(jì)算理論分析與計(jì)算的目的是在實(shí)施修補(bǔ)之前,對(duì)損傷區(qū)的剛度和強(qiáng)度降低情況給出基本評(píng)估,對(duì)擬采取或確定的修補(bǔ)措施給出修補(bǔ)后的剛度和強(qiáng)度恢復(fù)情況的預(yù)估,從而減小試驗(yàn)件的投入成本、縮短修補(bǔ)周期、提高修補(bǔ)設(shè)計(jì)水平。對(duì)那些無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)鍵部位的損傷修補(bǔ)問(wèn)題,理論分析就顯得尤為重要。理論分析與計(jì)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(fù)變函數(shù)方法分析了膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布和裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。在該分析模型中,膠層被認(rèn)為是各向同性材料,并考慮其彈塑性變形;裂紋板和補(bǔ)片均處于平面應(yīng)力狀態(tài),兩者之間的作用力通過(guò)膠層的剪切變形而實(shí)現(xiàn),膠層對(duì)裂紋板和補(bǔ)片的剪切力,在各自厚度上均勻分布,用位移協(xié)調(diào)條件建立方程組,問(wèn)題最終歸結(jié)為解1個(gè)第2類的Ｆｒｅｄｈｏｌｍ積分方程組。Ｒｏｓｅ[18,19]等人根據(jù)廣義平面應(yīng)力的彈性包容理論,通過(guò)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)、膠層應(yīng)力和裂紋尖端應(yīng)力分量這三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)的分析計(jì)算,對(duì)單側(cè)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的單面和雙面貼補(bǔ)法的修補(bǔ)效果進(jìn)行了研究。整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為兩個(gè)階段:在第一階段的分析中假設(shè)補(bǔ)片膠接到一塊沒(méi)有損傷的金屬板上,并引入剛性膠接假設(shè)(金屬板和復(fù)合材料補(bǔ)片之間沒(méi)有相對(duì)位移),根據(jù)彈性包容理論計(jì)算膠接修補(bǔ)區(qū)內(nèi)金屬板上的應(yīng)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(yīng)力強(qiáng)度因子值,并給出了修補(bǔ)效果比較,即雙面貼補(bǔ)優(yōu)于單面貼補(bǔ),因?yàn)閱蚊尜N補(bǔ)中的面外彎曲會(huì)導(dǎo)致修補(bǔ)效率下降和補(bǔ)片及膠層中的應(yīng)力升高。而加厚補(bǔ)片可有效降低補(bǔ)片下裂紋的應(yīng)力集中。解析法計(jì)算時(shí)間短、費(fèi)用低,在研究各參數(shù)的變化對(duì)膠接修補(bǔ)效果的影響時(shí)非常方便。但對(duì)補(bǔ)片的參數(shù)有很大的限制;計(jì)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(duì)含裂紋結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)問(wèn)題進(jìn)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(bǔ)引起的彎曲變形和結(jié)構(gòu)不對(duì)稱對(duì)結(jié)果的影響。Ｓｕｎ等人基于Ｍｉｎｄｌｉｎ平面理論,假設(shè)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(bǔ)結(jié)構(gòu)中彎曲變形對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。ＲａｎｄｏｌｐｈＡ.Ｏｄｉ和ＣｌｉｆｆｏｒｄＭ.Ｆｒｉｅｎｄ對(duì)復(fù)合材料膠接修補(bǔ)中常用的三個(gè)有限元模型,即:ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應(yīng)變模型、ＢＡＩＲ的準(zhǔn)三維復(fù)合材料殼元模型和三維塊體元模型進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算,給出了相應(yīng)的分析結(jié)論:ＢＡＩＲ模型與傳統(tǒng)的二維模型相比,母板、補(bǔ)片及膠層的面內(nèi)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果符合良好,但得到的膠層剪應(yīng)力結(jié)果可靠性較差;ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應(yīng)變模型因自身單元品質(zhì),無(wú)法給出準(zhǔn)確的鋪層應(yīng)力;三維模型計(jì)算較準(zhǔn)確,但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。關(guān)于這方面的研究工作主要集中在兩個(gè)方面:首先是改進(jìn)膠層的分析模型以改善計(jì)算精度;其次是計(jì)算膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的殘余熱應(yīng)力對(duì)應(yīng)力分布、裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。有限元分析方法適用范圍較廣,對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和補(bǔ)片的鋪層沒(méi)有限制,且計(jì)算精度較高,在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際膠接修補(bǔ)分析中普遍采用。一些學(xué)者還針對(duì)某些具體問(wèn)題開(kāi)展了部分研究工作。如Ｍ.Ｊ.Ｄａｖｉｓ和Ｄ.Ａ.Ｂｏｎｄ對(duì)幾種常見(jiàn)的飛機(jī)膠接結(jié)構(gòu)及膠接修補(bǔ)后的破壞模式和破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)許多試件進(jìn)行解剖剝離,給出了各種真實(shí)的破壞模式和破壞機(jī)理描述,也指出了搞清楚這些破壞模式和破壞機(jī)理對(duì)于正確選擇膠粘劑、修補(bǔ)材料、修補(bǔ)參數(shù)、修補(bǔ)工藝及測(cè)試方法的重要性。Ｊ.Ｗ.Ｃｈｏｉ等人對(duì)石墨/環(huán)氧復(fù)合材料采用三種修補(bǔ)方法(單面預(yù)固化補(bǔ)片法、雙面預(yù)固化補(bǔ)片法和實(shí)地固化法)進(jìn)行了強(qiáng)度研究,得到了強(qiáng)度恢復(fù)率為無(wú)缺口件的60%～80%的結(jié)論。通過(guò)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(duì)修補(bǔ)后試件的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè),并同傳統(tǒng)的Ｓ—Ｎ曲線疲勞壽命方程進(jìn)行了比較。6.2　實(shí)驗(yàn)研究Ｒａｔｗａｎｉ等人詳細(xì)研究了補(bǔ)片材料、尺寸和鋪層設(shè)計(jì)及環(huán)境條件(溫度和相對(duì)濕度)對(duì)膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)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(jī)譜)及補(bǔ)片鋪層設(shè)計(jì)等因素對(duì)結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度、最大應(yīng)力和應(yīng)力比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率和結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。Ａｌａｗｉ和Ｓａｌｅｈ研究了補(bǔ)片的形狀、尺寸,膠接修補(bǔ)方式(單面或雙面)及試件的表面質(zhì)量對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響,認(rèn)為膠接修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋擴(kuò)展速率發(fā)生變化的根本原因是Ｐａｒｉｓ裂紋擴(kuò)展過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)常數(shù)的改變,因此通過(guò)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,擬合出各種典型修補(bǔ)情況的Ｐａｒｉｓ裂紋擴(kuò)展公式中材料常數(shù)。7　結(jié)束語(yǔ)復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)無(wú)論對(duì)于航空航天還是復(fù)合材料領(lǐng)域都是非常重要的。雖然近30年來(lái),已有很多學(xué)者對(duì)復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)作了許多細(xì)致有益的工作,但是復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)中仍然存在一些困難和不盡如人意之處,有待進(jìn)一步的研究。(1)由于復(fù)合材料補(bǔ)片與金屬材料的熱膨脹系數(shù)相差很大,結(jié)構(gòu)在高溫固化后冷卻到室溫時(shí),修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中存在殘余熱應(yīng)力和殘余熱應(yīng)變。在實(shí)際的膠接修補(bǔ)中,采用何種復(fù)合材料,既經(jīng)濟(jì)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(fù)合材料補(bǔ)片修補(bǔ)鋁合金結(jié)構(gòu)時(shí),兩者之間易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),采用什么措施,才能有效防范。