复合材料结构修理技术探究

总结归纳前人在复合材料修理方面的理论知识，总结出复合材料结构修理问题的现状。

1复合材料常见缺陷及损伤修理容限

1.1常见典型损伤和缺陷

生产过程中工艺控制不当、在服役过程中受到物体冲击或受环境条件影响，这些因素都会造成复合材料的损伤或缺陷。表1给出了复合材料在制造和使用中的常见缺陷和损伤。复合材料结构损伤修理流程图如图2所示。

1.2损伤容限与修理容限

修理容限指的是两个定量的界限，在复合材料修理中即表述为出现缺陷或损伤后需不需修、能不能修。结构的损伤容限是指损伤范围从阈值到临界值，以确定损伤结构在规定的使用期间是否具有足够的剩余强度。修理工艺水平和经济因素决定了修理容限。图3给出了两者之间的关系。

2无损检测方法

在确定修复前，必须对损伤和缺陷进行检查和评估。对于表面损伤，如划痕和擦伤，可以使用目视检查来确定损伤的面积和程度。对于脱胶分层等内部缺陷和损伤，目视检查可以初步确定损伤部位和面积，然后通过无损检测方法来准确确定损伤区域。表2列出了不同检验方法可检的缺陷和损伤以及试验結果的可靠性。不同的检测方法适用于不同的缺陷和损伤检查。

3复合材料结构修理方法

飞机复合材料结构修理方法有很多种，其分类的方法也有很多种。在实际的飞机复合材料结构修理中，常用的修理方法主要有铺层修理、注胶与填胶修理、胶接修理和机械修理四大类。

3.1铺层修理

铺层修理是指将损伤部位打磨切除后，采用湿铺层或预浸料对其重新铺层，经过自然固化或者通过辅助加热设施加热到某一温度实施固化的修理方法。铺层修理是复合材料结构修理中最具代表性的修理方法。在实际工作中，复合材料结构的可修理损伤大多数需要采用铺层修理法实施修理。

3.2注胶与填胶修理

注胶修理是指当层合板结构或夹芯结构出现小面积的内部分层或脱胶损伤时，将渗透性和流动性好的低黏度树脂注入到分层或脱粘区域并使之固化粘合的一种胶接修理方法。

填胶修理是将树脂胶或其他填料填充或灌注到损伤区以恢复其结构完整性的一种修理方法，通常在一些装饰性结构和受载较小的蜂窝夹层结构上使用。修复的主要形式有表面划痕、凹坑、部分蜂窝芯损坏、孔位置错误、孔尺寸过大。

3.3胶接连接修理

通过使用胶粘剂将被修补结构与补片共同固化连接在一起的复合补片的修复方法称为胶接修复，以确保损坏的复合材料的结构完整，完成载荷转移的修复。在实际工作中，胶接修补是复合材料结构修补使用最多的修补方法，根据补片胶接方式不同，又可分为贴补法和挖补法两种，如图4所示。

1）贴补法

贴补法是指在去除损伤结构后，在缺陷部位表面附着固定补片，以恢复结构完整性、使用性能及承载力学性能的一种胶接修补手段。根据补片粘贴位置，贴补法可以分为单面贴补和双面贴补。由于其对操作设备要求不高，具有操作简单、周期短等优点，该方法多用于外场临时性修理，但由图4可知贴补法不能应用于对气动外形要求较高的部位的修理。

相超、周丽等^[4]基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了修补复合材料层合板的渐进损伤分析模型，计算了贴补修复后拉伸载荷下的极限强度，研究了补片复合材料的损伤演化过程，并讨论了补片参数对修补后拉伸性能的影响，得出不同破坏模式下补片参数的改变对其力学性能的影响。当主要破坏模式是补片破坏时，补片的直径对修补结构的极限强度影响不大;当破坏模式是胶层破坏时，补片直径的增大可显著提高修补的极限强度。分析原因为当补片直径较小时，胶层剥离应力较大，此时胶层容易首先失效;补片直径逐渐增大，胶层剥离应力随之降低，不易失效，故修补结构的极限强度随着补片直径的增大而明显提高，如图5所示。

2）挖补法

挖补法是先将损伤和缺陷部位去除，再在损伤部位填以新材料的一种胶接方法。根据去除损伤时打磨手段不同又可分为斜接法和阶梯法。相较于贴补法，复合材料结构经过挖补修理后，胶接面的胶层剪切应力较为均匀，且能保持较好的气动外形。因此，挖补法多用于曲率较大、对承载及气动外形要求较高的复合材料结构。不过，由于挖补所需周期较长，操作流程较复杂，对工作人员水准和稳定性要求较高，因此挖补法一般为场内修理，是一种适用于损伤面积大、受损严重的复合材料结构的永久修理方法。

汪源龙、程小全等^[5]采用了三维损伤累积模型与试验相结合的方式研究了修理后的复合材料层合板的拉伸性能，探讨了挖补角对修复后层合板力学性能的影响，得出挖补修理中胶层失效载荷随挖补角的增大而减小。同时分析了层合板挖补修复后受拉伸性能的影响、胶层失效后传力路径的变化，得到在胶层完全破坏后损伤会沿母版最窄处向两侧自由边迅速扩展。纪朝辉、刘阔等^[6]研究了当挖补修补结构不同时斜接法对挖补修理后力学性能变化的影响，分别对斜坡比为1：10、1：20、1：30和1：40的层合板进行拉伸破坏试验，得出当斜坡比为1：30时采用斜接法修补抗拉强度最好，同时总结了斜接法修补后的断裂位置特征，得出断裂类型主要有脱胶断裂和补片断裂两种。

3.4机械连接修理

机械连接修理通常是指用螺接或铆接的方式进行修理，如图6所示，即在损伤部位的外部用螺栓或铆钉固定补片，使损伤结构遭到破坏的载荷传递路线得以重新恢复的一种修理方法，其优点在于操作简单、施工迅速、对表面处理要求不高。但由于机械连接修理需要在原损伤区域周围打孔，易造成新的应力集中，可能影响整体结构寿命并改变原有的气动外形。

4国内外研究现状

近年来，随着复合材料应用技术的不断发展，复合材料不仅在航空航天领域应用广泛，在船舶、化工、交通运输、建筑、化工等各个领域的应用也愈见拓展，国内外对于复合材料的研究日益增多。

4.1复合材料胶接修理研究现状

A.A.Baker博士^[7]讨论了复合材料粘接修复的优点，首次提出了一种用复合材料补片修补受损飞机金属结构的方案，即将贴片连接到受损区域，改善损伤的应力分布，减少损伤和裂纹的扩展速率，以增加结构强度和剩余寿命。J.J.Schubbe^[8]研究了复合材料单面修补中补片尺寸对其结构疲劳的影响，指出补片长度的增加可以减少补胶脱胶的可能性，延长修补结构的疲劳寿命，但同时也会增加结构的整体重量，导致粘胶层过早脱胶。Chung和yang^[9]通过三维有限元建模以及试验探讨了复合材料补片单面胶接修理裂纹的扩展，指出在贴片边缘处应力强度因子迅速减小，当裂纹扩展速度接近贴片长度时，裂纹扩展速率将在短时间内减小，但随着补片长度的增加，由于补片脱粘及试件其余部分承载能力的减弱，这种情况不会再发生;此外，当补片长度为裂纹长度1.5倍时，寿命延长最为显著。邓志康等^[10]通过改进Zinoview刚度退化模型，结合Shkrieh改进的三维Hashin准则，利用ANSYS有限元软件选用INTER205单元对胶层进行模拟，建立了含孔复合材料层合板双面贴补渐进损伤失效模型，指出增大补片尺寸可以明显提高结构修补强度，这与文献[8]中J.J.Schubbe所得结论基本一致，同时还指出当补片修补厚度为母板1/2时，承载拉应力最强。

4.2复合材料机械连接修理研究现状

聂恒昌^[11]等通过机械连接修理的方法修复了含圆孔损伤的复合材料层合板，并通过轴向拉伸试验验证其修理可行性，得到通过机械连接修补方法强度恢复率约可达到55%～60%的结论。樊建平^[12]等借助ANSYS有限元软件中的参数化设计语言APDL模块研究了层合板机械连接处的破坏过程并模拟过程。P.J.Gray^[13]研究了偏心载荷对单搭接和双搭接接触行为的影响，并研究了金属结构的变形对螺钉载荷分配的影响。

5存在问题

近年来，对复合材料修理技术的研究逐渐增多，在理论研究和实际工作中均取得了很大进展。但由于我国复合材料修理发展晚于国外，在某些技术突破及修理关键技术方面仍然存在一些问题，对国外修理技术仍然存在依赖性。同时，复合材料高尖端修理技术使用的航材均依靠进口，国内的复合材料制造产业也与国外有一定差距。综合来看，主要存在以下几方面问题：

1）由于复合材料受力各向异性，修补质量受多方面因素影响，一些关键技术依赖工作经验。

2）在外场工作时，环境因素对修补结果有很大影响，难以保证力学性能，需要工作人员认真对待。

3）现有研究成果仍然难以满足实际工程需求，理论研究与实际工程存在一定区别，应在理论研究的基础上更注重解决实际工程问题。

6总结与展望

随着高性能复合材料的开发与应用，复合材料修理技术日趋成熟，在复合材料理论方面研究成果也更加丰富。在当前航空航天领域发展迅猛趋势下，我国未来几年在复合材料修理技术领域有望取得更大的突破。在完善与充分利用现有技术的基础上，应不断汲取新技术，向高质量、低成本、一体化方向发展;应加快健全国内复合材料修理规范与标准，尽快实现复合材料数字化修理、修理工具及原材料国产化，将理论研究与实际工程相结合，成熟健全的修理技术是复合材料应用于各个领域的有力保障;开展复合材料修理标准化科学框架研究，大幅度提高修理效率，促进航空领域的可持续发展。

参考文献

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