复合材料修复含中心裂纹铝合金板的静态与疲劳特性研究

论文摘要

复合材料补片胶接修复金属构件是一项先进的结构修复技术,主要包括修复设计、修复用原材料体系的选择、待修复结构的表面处理等相关技术。本文在有关课题的支持下进行了复合材料补片胶接修复铝合金裂纹板技术的基础研究,包括修复设计中模型的建立、修复结构力学性能的分析与预测、待修复结构的表面处理、修复效果的分析及其影响因素等方面。修复设计是修复工作的基础。本文在断裂力学分析的基础上建立了铝合金裂纹板复合材料补片胶接修复结构的板-体-板增强二维有限元模型,并采用文献报道结果和本文试验结果验证了该分析模型的可靠性。结果表明,该模型与传统的二维有限元分析模型相比,更适用于结构不对称和/或受载不均匀的修复结构,其计算准确性更高;与三维有限元模型相比,其计算成本较低。利用建立的有限元模型,考察了复合材料补片的性能、补片的几何尺寸和胶接固化过程中引入的残余热应力等因素对修复效果的影响。硼纤维复合材料补片的修复效果要优于碳纤维、玻璃纤维复合材料补片;固化过程中产生的残余热应力对胶接修复效果的影响比较明显,固化温度越高,修复效果越差,在实践中应尽量降低固化温度;分析了复合材料补片修复后,双向受载铝合金裂纹板的胶接效果,复合材料补片使裂纹板承受的双向载荷之间发生耦合,平行裂纹方向的拉应力恶化裂纹尖端的受力状态,而压应力可部分改善裂纹尖端的受力状态;若采用单向复合材料修复,其最佳补片长度随平行裂纹方向的压应力的增大而减小,随拉应力的增大而增大。修复结构的疲劳特性分析是修复技术的热点和难点。本文采用有限元分析和试验测试相结合的方法,建立了裂纹长度参数化的有限元模型,并采用应力强度因子修正和材料常数修正两种方法分析了铝合金裂纹板复合材料胶接修复结构的疲劳特性。材料常数修正法将理论分析结果与试验测试结果有机结合,能较好地预测修复结构的疲劳性能,得到了经碳纤维、玻璃纤维复合材料补片修复后铝合金裂纹板Paris公式中的材料常数C、m,分别为6.76×10-10、2.27和7.89×10-10、2.33。理论分析了复合材料补片胶接修复铝合金板的补强机制和裂纹扩展纹线发生变化的原因。铝合金裂纹板经过复合材料补片修复后,其裂纹尖端应力强度因子降低,应力强度因子的幅值也降低,从而使得疲劳裂纹扩展速率减小,修复结构的疲劳寿命延长;单面修复试件结构的不对称,使裂纹尖端应力强度因子幅值在铝合金板厚度方向上发生变化,从而沿厚度方向上裂纹的扩展速率不同,裂纹扩展纹线也相应发生变化。待修复结构的表面处理技术是复合材料修复的关键技术之一。本文采用阳极化工艺对铝合金表面进行了处理,测试和分析了阳极化处理条件对其粘接性能和复合材料补片胶接修复效果的影响,并对阳极化处理条件进行了优化。阳极化处理能够在铝合金表面形成多孔、微观粗糙的氧化膜,胶接时胶粘剂能够渗入多孔膜,形成良好的机械啮合,提高其胶接性能,且阳极化处理对铝合金构件的拉伸性能影响甚微;进一步得到了优化的阳极化处理工艺:磷酸浓度100g/L,阳极化时间30min,极间电压保持在15V,槽液温度为50℃。研究了阳极化处理后铝合金试片的粘接性能及其与复合材料补片的胶接修复效果。经阳极化处理后,铝合金的粘接性能大幅度提高,粘接副为铝合金/铝合金时拉剪强度提高了238%,粘接副为铝合金/复合材料时拉剪强度提高了104%;阳极化处理能大幅提高修复结构的静态强度,单向碳纤维/环氧复合材料补片单面修复铝合金板的破坏强度可恢复到完好板的93.42%,且提高了胶接修复结构的疲劳寿命及其在一定疲劳周次下的剩余强度;自行设计并研制了铝合金构件的原位阳极化处理工装。本文测试了复合材料补片胶接修复铝合金裂纹板结构的静态力学性能和疲劳性能。铝合金裂纹板经单向碳纤维复合材料单面修复后,其破坏强度恢复到350MPa,结构的等效弹性模量为88.36GPa;经过双面修复后,其破坏强度恢复到400MPa;复合材料补片能够通过胶层的剪切传递作用承担载荷,双面胶接的复合材料补片传递载荷的作用更显著;补片的“架桥”作用可有效地降低裂纹影响区域的塑性变形,减缓裂纹扩展,减小裂纹的张开位移;补片降低了结构中裂纹尖端应力强度因子幅值,减小了裂纹扩展速率,延缓了裂纹进入快速扩展阶段,增大了修复结构的临界裂纹长度,延长了其疲劳寿命;补片也改变了铝合金裂纹的疲劳裂纹扩展纹线。采用染色技术测量了修复结构疲劳过程中出现的补片与铝合金板之间脱粘界面的形状和面积。疲劳界面脱粘位置位于裂纹中心,其形状近似于椭圆形,并对称于裂纹扩展方向;界面脱粘面积随疲劳周次的增加而增大,存在临界脱粘面积。中心裂纹铝合金板的复合材料修复结构在疲劳载荷作用下主要出现两种破坏模式,即裂纹扩展控制的破坏和界面脱粘控制的破坏。在疲劳载荷作用下,这两种破坏模式同时存在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文插图
• 论文表格
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合材料修复技术概述
• 1.2.1 金属构件传统的修理方法与复合材料补片胶接修复技术
• 1.2.2 复合材料补片修复的特点
• 1.2.3 复合材料损伤修复的应用情况
• 1.3 复合材料补片修复研究进展
• 1.3.1 修复问题的设计分析
• 1.3.2 修复问题的实验研究
• 1.4 复合材料修复中的关键技术
• 1.4.1 复合材料补片胶接修复的设计分析
• 1.4.2 复合材料补片材料体系
• 1.4.3 待修构件的表面处理
• 1.5 修复结构的失效分析
• 1.6 论文的选题依据和研究内容
• 第二章 修复结构的有限元模型与分析
• 2.1 引言
• 2.2 裂纹分析
• 2.2.1 裂纹的类型
• 2.2.2 断裂力学参量
• 2.2.3 裂纹的模拟和应力强度因子的计算
• 2.3 复合材料修复铝合金裂纹板的有限元模型
• 2.3.1 三维有限元模型
• 2.3.2 二维有限元模型
• 2.4 单向受载胶接修复结构的胶接修复分析
• 2.4.1 分析模型及其验证
• 2.4.2 胶接修复效果分析
• 2.5 双向受载胶接修复结构的胶接修复分析
• 2.5.1 分析模型及其验证
• 2.5.2 胶接修复效果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 复合材料修复铝合金裂纹板的疲劳特性分析方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 疲劳裂纹的扩展
• 3.2.1 疲劳裂纹扩展速率
• 3.2.2 临界裂纹长度
• 3.2.3 恒幅交变载荷作用下的疲劳寿命
• 3.2.4 常用的研究方法
• 3.3 基于有限元方法的疲劳性能分析
• 3.3.1 用有限元方法分析结构疲劳性能的思路
• 3.3.2 用有限元方法分析结构疲劳性能的分析过程
• 3.3.3 有限元模型
• 3.4 有限宽中心裂纹铝合金板的疲劳分析
• 3.4.1 有限宽中心裂纹板的应力强度因子
• 3.4.2 有限宽中心裂纹板的裂纹扩展材料常数的计算
• 3.4.3 有限元分析与试验结果的比较
• 3.5 复合材料修复结构的疲劳性能分析
• 3.5.1 复合材料修复结构的应力强度因子与裂纹长度的关系
• 3.5.2 用应力强度因子修正法预测修复结构的疲劳性能
• 3.5.3 用材料常数修正法预测修复结构的疲劳性能
• 3.5.4 单面修复结构的疲劳裂纹扩展纹线分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 铝合金裂纹板修复用复合材料及其修复工艺
• 4.1 引言
• 4.2 复合材料补片的制备
• 4.2.1 主要原材料
• 4.2.2 复合材料补片的制备
• 4.3 铝合金表面的阳极化处理
• 4.3.1 铝合金表面阳极化处理原理
• 4.3.2 铝合金阳极化处理过程及处理效果测试
• 4.4 阳极化处理对铝合金结构的影响及工艺的优化
• 4.4.1 铝合金粘接表面粗糙度与粘接性能
• 4.4.2 阳极化处理对铝合金结构的影响
• 4.4.3 阳极化处理工艺条件的优化
• 4.5 铝合金表面阳极化处理效果
• 4.5.1 阳极化处理后的粘接性能
• 4.5.2 铝合金表面阳极化处理后的复合材料修复效果
• 4.5.3 阳极化处理铝合金板的胶接界面及破坏模式分析
• 4.6 铝合金构件阳极化处理的外场应用
• 4.7 复合材料补片胶接修复工艺研究
• 4.8 本章小结
• 第五章 复合材料修复铝合金板的静态力学性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 主要原材料
• 5.2.2 试样的制备及性能测试
• 5.3 修复结构的刚度恢复
• 5.4 修复结构的裂纹张开位移
• 5.5 铝合金裂纹板复合材料修复后的微应变分布
• 5.5.1 铝合金裂纹板的微应变
• 5.5.2 复合材料修复结构的微应变
• 5.5.3 双面修复结构的微应变
• 5.6 本章小结
• 第六章 复合材料修复铝合金板的疲劳性能试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验部分
• 6.2.1 主要原材料
• 6.2.2 试样的制备与性能测试
• 6.3 修复结构的疲劳裂纹扩展
• 6.3.1 裂纹扩展速率
• 6.3.2 裂纹扩展行为在铝合金厚度方向上的变化
• 6.4 修复结构的界面疲劳脱粘
• 6.5 裂纹扩展控制的破坏与界面脱粘控制的破坏
• 6.6 修复结构的疲劳剩余强度
• 6.7 不同补片修复后结构的疲劳寿命
• 6.7.1 补片长度对修复结构疲劳寿命的影响
• 6.7.2 补片宽度对修复结构疲劳寿命的影响
• 6.7.3 铺层方式对修复结构疲劳寿命的影响
• 6.7.4 补片材料与修复结构的疲劳寿命
• 6.7.5 修复形式与修复结构疲劳寿命
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 本文研究工作总结
• 7.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 附录A：基于ANSYS的APDL应力强度因子计算源程序
• 附录B：基于Mindlin板理论的有限元分析模型
• 攻读博士期间获奖、论文发表及专著编写情况
• 致谢