蜂窝夹层修理结构的弯曲性能试验分析

蜂窝夹层修理结构的弯曲性能试验分析
摘要：随着纤维增强树脂基复合材料在民用和军用飞机上的应用，复合材料
部件在制造和使用过程中可能出现缺陷和损伤。

因此，复合材料的修复效果已成
为复合材料修复领域的研究热点。

飞机复合材料结构件大多数都采用蜂窝夹层结构，如雷达罩、客舱地板、各类装饰面板、各类整流罩、操纵舵面和梁腹板等。

关键词：蜂窝夹层结构；挖补修理；弯曲强度；破坏模式；修理设备；
使用四点弯加载方式研究分析了含损伤蜂窝夹层修理结构的弯曲性能，该夹
层结构由碳纤维增强的聚合物面板和蜂窝芯子组成。

进一步分析了挖补斜度、挖
补方式、损伤程度、修理设备和修理材料对修理板弯曲性能的影响。

研究表明，
修理板的破坏模式可分为补片边缘折断、补片中面折断和胶层破坏三种，相同破
坏模式修理板的名义弯曲强度相近，其中前两种破坏模式修理板的名义弯曲强度
与完好板相近，而第三种破坏模式修理板的名义弯曲强度相对较低。

所有修理板
的名义弯曲强度恢复率基本处于９５％以上，同时修理后抗弯刚度也满足修理准则。

一、挖补参数影响分析
为了分析挖补参数（挖补斜度和挖补方式）对修理后结构的弯曲性能的影响，采用热压罐进行固化，以排除胶接质量的影响。

关于挖补斜度对弯曲性能的影响
分析，考虑１∶１０、１∶３０、１∶５０三种斜度的对比分析。

胶层破坏的特
征是破坏发生在胶层内部，当载荷超过胶黏剂强度时发生，一般会发生胶层剪切
破坏和胶层剥离破坏两种破坏模式，破坏通常发生在应力集中区域。

通常胶层剪
切强度比剥离强度高很多，胶层发生剪切破坏是可以接受的，因此应减少剥离破
坏的发生。

对于斜面搭接连接形式，当斜面的坡度越陡，剥离应力就越大，也就
是对于挖补修理，挖补斜度越小，剥离应力越大，胶层越易发生剥离破坏，即胶
层可能在层板破坏之前先发生破坏，导致整个修理板的强度降低。

可以看出，面
板挖补斜度由１∶１０到１∶５０的变化过程中，胶层的坡度由陡变缓，在１∶
１０斜度时，胶层易发生剥离破坏，而在１∶５０斜度时，胶层更易发生剪切破坏，因此，斜度变缓可以提高胶层的强度，修理效果相对较好，这与相关文献的研究结果一致当胶层破坏中剥离破坏占主导因素时，胶层破坏可能发生在层板破坏之前，此类结构相对完好层板名义弯曲强度略低，这与１∶１０试验结果相符合，胶层破坏、补片撕裂、中面折断破坏；而当胶层破坏中剪切破坏占主导因素时，胶层破坏可能发生在层板破坏之后，此类结构与完好板的破坏模式相似，名义弯曲强度相近，这与１∶３０和１∶５０的试验结果相符合，补片边缘面板折断，蜂窝压溃。

可以看出，相对于１∶３０和１∶５０的试验件，１∶１０的名义弯曲强度较低，１∶５０相对１∶３０仅提高２．７５％，其修理效果与１∶３０相近，但是由于１∶５０需要去除的母板材料更多，与１∶３０相比，胶接质量更影响１∶５０的修理效果，因此在实际应用中，更倾向采用１∶３０的挖补斜度。

采用阶梯挖补方式与斜接挖补方式修理单侧面板和芯子损伤的蜂窝夹层结构，搭接斜度为１∶３０，对比分析两种搭接形式对弯曲性能的影响。

常见的阶梯搭接和斜面搭接挖补修理形式，阶梯型是将母板结构打磨成为台阶状，铺设胶层之后铺上修补预浸料，而斜接型是打磨成与结构表面成一定角度的斜面。

两种修理方法的胶层形状有很大区别：阶梯型的胶层由平行结构表面和垂直结构表面两部分组成，平行表面的胶层承受剪切和剥离的作用，垂直表面的胶层承压，而胶层的拉压强度比剪切和剥离强度小很多，因此只考虑平行表面的胶层起到的作用即可；斜接型的胶层主要承受剪切和剥离。

由于１∶３０的斜面对应的角度非常小，θ≈ｔａｎθ，可以得出两种方式的胶接长度相差不多。

但是应力集中现象是否严重会影响到弯曲性能，可以看出斜接型的胶接面过渡自然，而阶梯型则有较多褶皱，可能会有应力集中现象存在。

破坏强度都较高。

阶梯挖补修理与斜接挖补修理相比，阶梯挖补修理效果略差，可能是由于阶梯型的胶接面的褶皱导致其较斜接挖补修理的应力集中现象更明显，最终导致结构提前破坏。

虽然阶梯挖补只比斜接挖补降低2.76％，强度恢复率均达到100％以上，且两者的弯曲性能相近，但是阶梯式挖补工艺实施时比较复杂，耗时耗力，却没有提高修补质量，所以通常选用斜面搭接修理。

1.
损伤形式影响分析
为了考虑面板和芯子损伤以及穿透损伤两类损伤形式，采用相同的修理参数、热补仪固化方法、母板材料修理，分析不同损伤严重程度对修理效果的影响。

宽
度相同、损伤直径不同的损伤结构的破坏模式相似，但是名义弯曲强度随着损伤
直径的增大而降低，因此修理效果会对破坏载荷产生巨大的影响。

修理前需要将
母板打磨成斜面，而大损伤时母板去除材料会比小损伤多。

在修补前，母板本身
的承载能力会随着打磨而降低，假设胶接质量较好，胶接面在弯曲载荷作用下较强，那么修补大损伤和小损伤的修理效果应该是一样的，但是如果胶接质量不好，胶层会提前破坏，两种母板本身的承载能力不同，修理效果也不同。

单侧面板和
芯子损伤挖补修理（Ｘ－ＭＸ）损伤直径为５０ｍｍ的试验件相对直径为２５ｍ
ｍ的名义弯曲强度较低，其破坏模式为胶层破坏、补片撕裂，而单侧面板和芯子
损伤挖补修理损伤直径为２５ｍｍ的试验件的补片没有撕裂，只是补片中间折断，由此可以说明，单侧面板和芯子损伤挖补修理损伤直径为５０ｍｍ的胶接质量较差，相对２５ｍｍ的名义弯曲强度恢复率降低９．５６％。

而对于穿透损伤双面
挖补修理（Ｘ－ＭＸＭ）损伤直径２５ｍｍ和５０ｍｍ的试验件破坏模式相同，
５０ｍｍ对应的名义弯曲强度稍低，相差１．６％，说明两者的胶接质量均较好。

由此说明，大损伤修补效果稍差于小损伤，当胶接质量较好时，大损伤与小损伤
修补后的效果相差不多。

三、工艺因素影响分析
对于两类损伤状态的修理试验件，热压罐修理效果相比热补仪修理效果略好
一些。

这是由于热压罐成型压力大，温度均匀，修理层、胶层之间的孔隙减少，
固化效果好，而热补仪成型压力仅为一个大气压，通过加热毯加热保持温度，可
能出现传热不均匀现象，因此热压罐修补效果会比热补仪修补效果好。

但是热补
仪修补之后，其名义弯曲强度恢复率相比热压罐最多减少4.59％。

由此说明，在
外场使用或者考虑成本时，可以采用热补仪替代热压罐进行修理。

使用中温固化
材料7714作为母板材料的替换修理材料，所选择的中温固化材料的厚度刚好是
高温固化材料的一半，修理四层母板结构需要八层修理层来修理。

采用中温预浸
料替代原母板材料，修补区域的胶接方式和刚度会产生变化。

胶层处于层板斜面
和预浸料之间，预浸料由四层变为八层，会带入更多的孔隙与缺陷，最主要的是
两种材料的弹性模量不一致，刚度会发生突变，中温预浸料修理的名义弯曲强度
相对较低，但是只比高温预浸料的名义弯曲强度降低2.49％，因此在材料缺失的
情况下可以采用中温预浸料替代高温预浸料。

总之，由于热压罐固化修理的胶接质量优于热补仪，因此前者名义弯曲强度
稍高，但是热补仪修补与热压罐修补效果相差不多，在外场使用或者考虑成本时，可以采用热补仪替代热压罐进行修理；高温预浸料修理的名义弯曲强度稍高于中
温预浸料修理，在材料缺失的情况下可以采用中温预浸料替代高温预浸料。

参考文献：
［１］王萍．浅谈蜂窝夹层修理结构的弯曲性能试验分析，２019．
［２］刘宏宇，复合材料蜂窝夹层结构修理后强度研究.2019.。