復合材料膠接修補：損傷探測與預測

1、復合材料膠接修補分析：損傷檢測與預測摘要高性能復合材料在商用與軍用飛機上的廣泛應用引起了人們對復合材料修補技術的關注。他們日益增長的使用主要是由于同更多傳統(tǒng)材料相比，它們具有很高的比強度/剛度及改善的疲勞壽命1。在使用過程中，一架直升機會受到結構和氣動方面的載荷。這些載荷會引起結構損傷或減弱，從而影響承載能力。為了保證一架直升機持續(xù)飛行，修補或加強損傷與薄弱部件以使結構得到恢復，這已成為近年來一個重要的研究。膠接修補是復合材料最常見的一種修補類型2。這一技術代替了通常引起應力集中而影響性能的機械連接修補。有兩種類型的膠接補片能用來修補損傷結構：外部粘合補片和挖補式粘結補片。外部粘合補片能恢復材

2、料的強度，而且過程快速簡單。止匕外，膠合到原始結構的補片與原結構匹配，而且降低了修補區(qū)域的應力間斷，從而提供了更高的剛度，因而挖補法比貼補法更優(yōu)越。為使氣動干擾最小化，這一修補技術常用在表面必須平滑的部位。在現今研究中，在單向拉伸載荷下評估CFRP層合板的兩種膠接修補技術。試樣都是由商用碳一環(huán)氧預浸布加工制得，本文研究用到了兩種不同層合板：準各向同性編織M21/HTA碳纖維一環(huán)氧樹脂板和準各向同性單向M21/T700碳纖維一環(huán)氧板。使用三元有限分析確定最佳修補結構的應力場，并將結果同實驗觀察相比較。挖補法修補的復材板的性能可用兩種在線損傷分析來檢測：超聲導波（蘭姆波）分析和基于數字圖像相關技術

3、（DIC）分析的全場測試方法。進行了前期損傷兩種技術結果相關性的比較，通過挖補法恢復強度的結論和損傷演化也可以推斷出來。最后，將這些結果同離線技術相比較，如超聲C掃描和X一射線檢測，以便確定受載后的損傷位置和程度。關鍵詞：復材膠接補片修補數字圖像無損檢測損傷檢測應力集中超聲導波挖補法1、背景近年來，復合材料在運輸工業(yè)（航空，汽車和船舶）方面的應用顯著增加。如新一代商用飛機波音787和空客350,是將復合材料用在機身主要結構的第一代商用飛機網。因此，越來越有必要發(fā)展直升機基礎結構部件（如機身或機翼）的修補技術，而不是把替換這些部件作為首要解決辦法。飛機上常見損傷主要來于意外撞擊（車輛和其他可移動

4、服務設備），鳥撞，冰雹和雷擊，或是由液壓油或吸濕所引起的劣變4,5。由于部件的高度集成化和大型化，替換損傷部位不是一種最佳方法。因此發(fā)展復合材料修補技術和工藝的必要性是顯而易見的。復合材料最常見的一種修補類型是復合材料膠接補片修補4o與傳統(tǒng)機械連接修補方法如怫接相比，復合材料補片膠接修補能節(jié)省成本，并能進行高損傷容限的結構修補5。在航空工業(yè)中復合材料最常見的修補類型是貼補法和挖補的。從制造和應用方面來看，這些修補技術各不相同。然而，隨著新飛機項目將復合材料用在了安全性至關重要的基礎結構，修補的設計與認證更具挑戰(zhàn)性。另一方面，使用膠接補片修補結構的性能和質量不僅依賴于修補過程，而且同每個修補人員

5、的經驗和技術相關。因此，鑒于這些修補需要通過民航公司認證，就迫切需要在線監(jiān)測技術。1.1 膠接修補外接補片的修補使用過程比挖補方法更方便快捷。在飛行過程中，外接補片通常作為一種臨時修補方法，或者在不受力件或相對薄的結構中作為永久修補方法。外接補片將載荷轉移在損傷周圍，從而減弱了損傷邊緣的局部應力集中2,40用這一技術，損傷材料通過開孔，清理，填充膠接材料來去除，然后再接補片。Soutis等人2,4,6的早期研究和近期其他研究2,4,6都概述了貼補法設計的使用指南。研究表明修補在早期階段可以簡化成代表修補結構單側或兩側補片的單面或雙面膠帶搭接。然后，可以用剪切滯后模型和膠接時的最大剪切應變準則來

6、確定最佳補片尺寸，厚度和彈性模量。這一模型也可用來檢測膠層厚度的影響因素和接頭強度的剪切性能。貼補法首先要考慮的是確定補片尺寸。如果補片重疊長度或膠接長度太短，膠層整體就會處于高剪切應力。對于長的膠接長度，大部分載荷分布在膠接重疊的末端，這就是長補片不能提高最終預期強度的原因。因此，用補片修補薄層合板10mm孔（損傷區(qū)域清洗后的尺寸）兩側的理想重疊長度大約是1215mm4。即使修補結構上孔的尺寸達到30mm，15mm的膠接重疊長度也是有效的，從而最佳補片的直徑大約是60mm4。與重疊長度的方法一樣，也可以來確定補片厚度，補片的最佳厚度可由主板的厚度確定。太薄的補片或相對低模量補片強度較低，然而

7、過鋼的補片是有害的，因為其會增加材料質量，而且重疊區(qū)域會存在高剪切應力4。鑒于這些考慮，孔的尺寸是1030mm時，薄修補層合板的最佳補片厚度占主板的4060%4。對于補片形狀來講，圓補片比方形補片好，可能是由于其在修補區(qū)域產生的應力較小網。為了研究補片鋪層順序對修補性能的影響，Liu和Wang7通過測試用六種不同鋪層順序補片修補拉伸后的層合板，探討了補片鋪層順序對修補效率的影響。結果表明補片鋪層順序對失效的起始強度和最終強度幾乎無影響。然而，Cheng等人9的近期研究表明主板的失效過程依賴于補片結構板層的排列。用于粘結補片和主板的膠接材料是修補設計中最重要的因素。如果膠層太薄，它會又硬又脆，將

8、導致靠近補片和孔邊緣的高應力區(qū)域產生起始剪切失效，使得損傷擴展至整體重疊區(qū)域。然而，如果膠層太厚，會有很強的可塑性，而且在載荷作用下，它的迅速失效會減弱主板與補片間載荷傳遞的有效性。上述研究中修補膠層的最佳厚度是0.20.3mm7，也有人為0.1250.25mm是有效的4。挖補法是能提供最高接頭效率的一種方法。這種修補技術常用在要求表面平滑的部位，由于它可以將氣動干擾最小化。止匕外，在修補部件十分厚時，挖補法比貼補法有顯著優(yōu)勢。這些情形下，貼補法將會引起額外厚度，較高的脫粘力和剪應力，而這些不會出現在挖補方法中2。挖補過程在修補區(qū)域需要錐形沙（或階梯沙），以此得到準確的挖補角度，確定層板邊緣，

9、從而去掉損傷。錐形區(qū)域根據結構厚度或層板數量確定。通常薄結構的錐形比例是50:1（長度：厚度），而厚部件的比例是30:1。損傷區(qū)域清潔后，就可用修補板層。一個重要的設計參數是層合板的鋪層方向必須同補片一致叫現今挖補補片的使用方法是將補片放在挖補腔內，并在損傷平面固化，同軟板修補方法一致。Whitting-ham等人11的近期研究提出了兩種產生硬補片修補的方法，包括將預形成補片膠接在挖補腔中。第一種方法叫做模壓法，是在加工腔的模具中預制補片，然后將其膠接在挖補腔內。第二種方法是用表面分析設備獲得挖補腔表面數據，然后從復材板上加工補片。如果使用真空袋而不是高壓釜，補片將會比主體復材結構有顯著不同的

10、性能。這些結果表明整個補片粘結層厚度的變化相對于軟補片方法有顯著改善。為了保護挖補補片的一端，商用挖補法通常要有額外的外部厚度即過鋪層。這些過鋪層也能進行額外加固11。Breitzman等人12也通過對有過鋪層層和無過鋪層的挖補法修補在拉伸載荷下進行了的一些數值和實驗研究。結果表明，由于將額外載荷轉移到過鋪層，有過鋪層的修補層壓板強度有了提高。就過鋪層厚度這一影響因素來講，從沒有過鋪層到只有一層過鋪層，應力也有顯著降低，即使較厚的過鋪層會使得應力更大降低。對過鋪層纖維取向的進一步研究分析，似乎證實了直升機結構修補手冊（SRM）13的商業(yè)需求。依據SRM,為了最小化膠層應力，第一層過鋪層應該與主

11、體層壓板最外層（與過鋪層相接的）的取向方向一致。然而進行挖補前必須考慮如設計步驟這類確定的弊端。首先挖補比貼補法更要求高水平的專業(yè)技術，它需要將大量的非受損材料移除，從而得到使剛度和強度恢復的挖補角度11。Wang等人14為了得到最佳的挖補形狀，進行了大量數值研究。他們的研究結果表明，采用超過傳統(tǒng)設計修補的最佳修補，可以顯著減少移除的材料（26%到76%之間）。而且，對于小挖補角度，最佳挖補尺寸的同心橢圓長寬比約等于雙軸應力比。其他研究表明對于損傷長寬比高時，方一橢圓混合輪廓能進一步減小修補尺寸。1.2 膠接修補的損傷評估實驗研究表明膠接補片修補能夠將修補結構的強度恢復原層壓板強度的80%2,

12、12,15o層壓板復材具有多相性和各向異性的特性，因此其機械性能很復雜。因此，應該對層壓板復材進行更深的實驗評估來得到全面的實驗數據，而不是從應變計或引申計測量有限的應變或位移16-18。這與實驗評估復材修補有很大關系，因為要得到加載條件下的修補機械性能，檢測整個修補區(qū)域很重要。從文獻來看，過去常用有限的數據來評價加載條件下的復材修補性能。然而，紅外熱像法能來檢測復材補片結構的穩(wěn)定性19,也可以在拉伸疲勞載荷下檢測修補試樣損傷的起始和擴展，以此來評估修補的起始損傷90為了檢測層合板和修補試樣的損傷過程，能方便測量細微應變的數字圖像相關（DIC）技術16-18,20已用來評估層壓板復合材料結構的

13、損傷過程，但以前的有限研究15,21,22僅集中于復材結構修補補片的性能。而且，用蘭姆波檢測復材試樣損傷的無損檢測方法過去用在修補層壓板的損傷檢測中2328。另一種評估復材補片修補性能的技術是C掃描超聲檢測3,21o這一測試方法作為最后的質量檢測，以此保證修補表面沒有氣孔，而且修補中沒有造成損傷。在這一研究中，使用軸向拉伸載荷測試膠接修補損傷的性能和評價。首先研究開孔試樣的性能。研究開孔試樣的性能，對于使用螺栓和怫釘連接的復雜結構設計很有必要。研究兩種不同商用碳纖維環(huán)氧層壓板使用的貼補法和挖補法：編織碳環(huán)氧（M21/HTA）和單向碳環(huán)氧（M21/T700）的預浸料，其鋪層順序是（0/90/45

14、/0/90）3To挖補補片用在沖擊損傷的編織碳纖維環(huán)氧M21/HTA板上。拉伸測試能夠研究膠接補片修補的性能和損傷評估。為了檢測加載時修補區(qū)域的失效過程，二維（2D）和三維（3D）數字圖像相關技術（DIC）與蘭姆波分析共同應用，其中壓電傳感器（PZT）作為驅動器和接收器。測試挖補法修補板前，為了檢測會造成過早失效或裂紋損傷的制造缺陷，可以用C掃描檢測。DIC和蘭姆波可以記錄修補區(qū)域在拉伸載荷下的損傷擴展。對由在線技術得到的特征與階段損傷的相關性進行了討論。這些結論同X射線與超聲C掃描（離線技術）對比，以確定加載后的損傷。使用有限元應力結果確定最佳修補結構的應力區(qū)域。2 .實驗方法現在已研究了挖

15、補法與貼補法在拉伸載荷下的性能。修補分析前，應測試有孔和無孔試樣的拉伸強度，隨后與修補板的強度比較。止匕外，也可以在試樣上安裝應變儀以測試材料性能。數字圖像相關技術（DIC）可以分析有孔試樣的損傷與裂紋擴展，也能檢測拉伸載荷下修補板上補片的性能。除過DIC,使用壓電傳感器的蘭姆波也能分析挖補片的性能。將DIC和蘭姆波在線分析技術的結果與超聲C掃描和X射線技術比較。2.1 樣品的準備和測試過程2.1.1 挖補膠接修補從以前的研究來看，挖補法用在碳纖維增強復合材料的沖擊損傷處29,見圖1.正面的損傷區(qū)域大約是直徑13mm,而背面的損傷區(qū)域是25mm長25mm（a）（b）圖1沖擊后的CFRP板：（a

16、）正面（b）背面，面板圖像放大板材是由郝氏公司的韌性環(huán)氧樹脂（M21）同于雷爾伊斯帕諾的纖維體積分數為58%的碳纖維編織布（2/2斜紋布）制得。板材的鋪層順序是（0/90/45/0/90）3t,總厚度是2.8mm。沖擊測試后，受損區(qū)域用錐形紗均勻攻絲機（橢圓形）去除，損傷區(qū)域周圍用旋轉墊光機模擬損傷區(qū)域的空隙。從板材上切下試樣以得到材料有孔和無孔的拉伸強度，與材料的彈性。為了設計拉伸試件，單向和編織層合板的拉伸測試用ASTMD3039標準。無孔試樣是175mm長M0mm寬，為了模擬損傷區(qū)域或受損區(qū)域清洗后的效果，需用硬質合金鉆頭在試板中心鉆一圓形孔。在這一研究中，孔直徑與試樣寬度的比例約為0.

17、1。有孔試樣是175mm長X50mm寬，孔的直徑是5mmo玻璃纖維標簽（40mm寬，2.4mm厚）膠接在測試長度為95mm試樣的末端。標準高強度，兩組分環(huán)氧糊狀膠將端片貼在試樣上。每一組（有孔和無孔試樣）用三種試樣測試軸向拉伸，并用應變儀測試材料的應變。拉伸式樣在液壓傳動機上以100KN的載荷，1mm/min的恒定加載速率進行測試，液壓鉗提供足夠的壓力以防止試樣滑動。復材系統(tǒng)HTA/M21的平均試驗結果（用三個無孔和開孔的拉伸試樣）列在表1中。計算拉伸強度時要用到試樣的總截面積。無孔試樣（彈性模量Ex和泊松比vxy）的拉伸應力一應變效果圖2所示。在x-y層合板面我們考慮了準各向同性性能。尺寸為

18、200mrK350mm的CFRP板的火焰表面清理在卡夫拉維克機場的冰島技術設備（ITS）的復材廠完成，按照波音767的結構修補手冊13,220在本研究中，假設永久性修補僅限板材的一側。樣板中心剪出30mm的孔，修補角是2.1,見圖3。從預固化板上剪下備用補片，將其用于板材難接近的一面。這一補片作為保護修補區(qū)域的密封補片。修補片由碳纖維平紋織物和樹脂制得。在預浸布上剪下規(guī)定尺寸的挖補補片。填充補片和灌封樹脂用在孔的邊緣，修補板放在所要求的重疊板最合適的方向。兩個外接補片放在板的最表面：第一個外接補片與原板表面（0）有相同的取向，第二個是+45,每一個都重疊了12.7mm,見圖3。組裝后，用真空袋

19、和加熱系統(tǒng)將補片固化在挖補板上，見文獻220圖3顯示了完全固化的挖補法修補板。測試試樣前，用C掃描檢測缺陷（補片或膠層缺陷）或可能引起永久失效和裂紋的制造缺陷，沒有發(fā)現任何缺陷。玻璃纖維片用室溫固化的環(huán)氧糊狀膠粘結在試樣末端的正反面。貼上標簽，試樣切到最終寬度，在標簽處鉆孔以安裝測試夾緊鉗。這一組裝在液壓測試機器上以250KN的載荷拉伸。表1HTA/M21的彈性特性及其無孔試樣和有孔試樣的拉伸強度SpecimenHTA/M21(0/90/145/0/90)3TMeasurementsUnnotchedtensilestrength(7un)585MPaNotchedtensilestrengt

20、h(小)379MPaElasticmodulus(x)49HGPaPoissonsratio(v)0.26Shearmodulus(G)19.6GP3等爭勺1rvrvQHT1Lma國Wii門通GIFQ田i.二圖2 HTA/M21試樣拉伸應力-應變圖Rcfmir 曲gIr一，一I-，- I - I-I- ! I -| = |si|E|=|=|E| E|S|=|=BS|=:|S| = t =j?l = l1=母?口鼻勾=口=*三口三舊三 !L=U=!l=ll=w=l=t=li=ll=S=S=!i= !=!?&圖3挖補幾何細節(jié)和固化的挖補試樣2.1.2 貼補法類似實驗也用在貼補法分析中。試樣有相同的

21、鋪層順序（0/90/45/0/90）3t,但不是編織碳纖維，而是由郝氏復材提供的Hex-PlyM21韌性環(huán)氧樹脂和T700單向碳纖維制得。單向預浸系統(tǒng)比挖補中織物對非對稱鋪層更敏感。在本研究中，對剛性基體的研究表明在T700/M21復材體系中不會發(fā)生足夠的連接現象。22。兩種復材層壓板由單向碳纖維/環(huán)氧預浸料T700/M21手糊制得。按照先前的鋪層（18層，2.4mm厚），每個板的尺寸是200m佛200mm。按照制造商預浸料固化建議，板材在高壓釜中固化。每一個裝置（按照標準ASTMD3039無孔和開孔拉伸試樣）從復材板上切下200mrK45mm三個式樣，玻璃纖維標簽膠貼在試樣末端，以獲得材料性

22、能（無孔和開孔的強度與彈性性能）。T700/M21復材系統(tǒng)的結果列在表2中。無孔試樣的拉伸應力一應變列在圖4中。為了實驗重現復材結構的膠接補片修補，在試樣中心鉆出直徑5mm的圓孔，來模擬損傷區(qū)域的移除，然后將外部補片膠接在試樣表面。在本研究中，圓形硬補片從與試樣（T700/M21預浸料）相同材料上制得，但補片鋪層順序是（0/90/45）s,直徑是35mm。將補片膠接在層合板上前，表面需通過噴砂粘結面積和后續(xù)清洗。補片用兩部分環(huán)氧膠膠接在層合板上，并控制膠層厚0.2mm。然后在室溫下固化。為了減少重疊片末端的脫膠應力，膠液在會產生噴涌角（膠瘤）的補片邊緣處逐漸減少。圖5顯示了修補層合板的組裝和幾

23、何尺寸。將外接補片膠接在試樣一側或兩側的數個修補試樣在電子機械測試機以100KN載荷和2mm/min的恒定加載速率進行拉伸測試。表2T700/M21有孔和無孔試樣的拉伸強度SpecimenT700|M21W判45仰90)中Unnotchcdtensilestrength(仃川Notchedtensilestrength(%)Elasticmodulus(EM)Poissonsratio(rJMeasurements996 MPa676 MPa67.5 GPa0.2826K GPa-3024661012Strain ex 1?！比衞60o 5D00430o 2D00圖4 T700/M21試樣的拉

24、伸應力-應變圖200m di*圖5單側和兩側膠接補片修補試樣的幾何細節(jié)Shearmodulus16)2.2 在線損傷檢測商用和軍用飛機長一個最主要的挑戰(zhàn)是縮減維修費用。降低使用成本，減少檢測/維修費用，高性能，長壽和更高的安全性是航空公司一直追求的。而且在目前飛機不斷老化的同時，新一代飛機將使用更多的復材。這些都是建立精密檢測和維修技術的一個重要原因30。關于航空應用的研究方面，使用修補片的一個主要限制因素是在結構使用關鍵階段加載時補片脫膠危險。如果受載超過膠層的極限剪切應變，這一情況將會發(fā)生。為了檢測層合板和補片修補試樣的損傷過程，可以使用幾種無損檢測方法（NDT技術）。NDT技術能可靠的檢

25、測超過臨界尺寸的缺陷，而且不受局部幾何尺寸和性能多樣性的影響，并以最少的成本快速進行。有許多NDT技術以成功應用到修補復材結構的損傷檢測中。包括攝影，C掃描，紅外溫度記錄及壓電設備來分析補片修補復材結構9,6,19,24。Bake產強調了用于內部結構健康檢測的智能補片的重要性，作為補片廣泛應用，要得到工業(yè)批準很重要。因此，為了不斷評估修補區(qū)域，基于結構健康檢測概念的系統(tǒng)一體化是很重要的。結構健康檢測（SHM）常被定義為實行航空，民用和機械工程基礎設施損傷定義系統(tǒng)的過程32o一般來講，SHM系統(tǒng)能在連續(xù)和原模型中檢測測試結構，檢測和解釋不利變化，并將這些變化歸因于臨界損傷33oSHM方法更優(yōu)于傳

26、統(tǒng)的無損檢測技術（NDT）oSHM方法建立了一個適用于全球和在線監(jiān)測的測試系統(tǒng)，利用了一個粘結在表面的少量傳感器，這對于評估很方便。在現今的研究中，數字圖像相關技術（DIC）（對于整個應變測試很方便）和超聲導波（蘭姆波）兩種無損檢測方法，用于補片修補復材的在線損傷檢測。這些方法在以下部分簡要討論。2.2.1 數字圖像相關技術數字圖像相關技術（DIC）在198134年被Peters和Ranson用在實驗力學中，他們提出在材料系統(tǒng)中使用基于計算機的圖像采集和變形測量，隨后這些概念經過細化，并融入了數值算法35-37。DIC是一種無損光學檢測方法，能夠估算物體二維（2D）或三維（3D）的表面位移和應

27、變區(qū)域。在3D中，能同時運行兩個攝像機和一個校準網絡的采集系統(tǒng)必須得建立相機的工作參數。3D系統(tǒng)能同時測量三維位移范圍，因而其更高效。而且，它在不平滑表面工作，并不受高剛度物體運動的影響。這種方法的主要原理是匹配加載前后測試試樣表面的斑紋圖樣。斑紋圖樣可以通過白漆和噴灑黑色氣溶膠來制備。由數字攝像機可觀測到這將導致一個隨機的結構面。用于測量試樣表面全場位移的原理如下：隨機散斑的同一圖案記錄兩次，加載前一次，變形后一次。將相機記錄兩幅圖的子圖像進行關聯，就能確定表面位移矢量17o子圖像的相關性是由基于完善算法的確定商業(yè)代碼得到的，這一算法利用了子集交叉關聯準則（CC）或平方差關聯準則38。同云紋

28、干涉法和電子散斑干涉法這些實驗技術相比，DIC簡單穩(wěn)定，不要求復雜的表面處理，對測試環(huán)境的要求也很低16,39。另一方面，該子集尺寸的精確性和散斑圖的質量至關重要。實驗中的圖像是由超過五百萬像素的數碼相機得到；模仿DCP5.0LIMESSMesstechnik&SoftwareGmbH。位移測量的典型錯誤低于0.05像素，應變測量的典型誤差低于500m1A39o本研究中的實驗數據通過相關方案公司的Vic-2D和-3D軟件處理。試樣由白漆和能建立隨機散斑圖案的黑色氣溶膠噴灑制得。實驗試樣用普通白燈照射。2.2.2 超聲導波技術超聲導波的損傷檢測屬于以SHM測試為基礎的波衍射范疇。蘭姆波是在板狀結

29、構中傳播的彈性擾動。它們是一種板的上下表面這類平行自由表面間傳播的的超聲導波41。蘭姆波存在于兩種模式中，對稱模式Sn和非對稱模式An,這分別代表運動粒子在縱向和平行方向上的傳播方向。更多信息可以參考文獻42o薄板厚度可由輕小的傳感器（啟動器）測定。內部不連續(xù)傳播模式的反射可由傳感器信號分析。目前已研究了挖補法修補的蘭姆波無損檢測。蘭姆波的基本特性會在以下章節(jié)討論。首先，蘭姆波以不同速度傳播，每一種對應于一個不同的模式430每種模式以不同速度傳播通過材料，最后在不同時間到達。由于這一性能使獲得的信號太復雜而無法解釋，因此損傷檢測時必須考慮這一因素。So和Ao這兩種基本模型在較低的工作頻率下進行

30、隔離是可能的。理論上，最佳工作頻率范圍可以由顯示相位或頻率一厚度群速度依賴關系的頻散曲線獲得。實踐中，這能由楔形轉換器獲得，這能在激發(fā)頻率下一個給定相速度的蘭姆波激發(fā)出期望波長44o蘭姆波另一基本特性是波速與波頻和測試結構的厚度有關。這使得蘭姆波擴散，而這一特點在多層復雜結構中是不需要的。一般來講，擴散的影響因素是通過結構時波包持續(xù)時間的增加和振幅的減少。這兩種因素會導致測試系統(tǒng)敏感度的降低45o能首先評估膠接質量和臨界載荷的內置感應系統(tǒng)，其重要性在以前的研究27中已經強調過，而且這些初步測試表明用蘭姆波進行貼補法測試是一個很有前途的技術。Chiu23和Koh46等人已經用PZT傳感器對貼補法

31、的性能進行了評估。也有研究人員47使用蘭姆波檢測了補片與基板脫膠的起始與擴展過程。Duflo48等人研究了關于CFRP外接補片缺陷的蘭姆波相互作用。Qing49等人初步研究了使用導波對單側外接補片的損傷檢測。Sekine50和Amaravadi51等人使用光纖傳感器對有孔試樣兩側外接補片的裂紋位置進行研究，其中模態(tài)分析與子波轉換對外接補片損傷位置提供了相關信息。Takahash52等人用蘭姆波對挖補的沖擊損傷檢測進行了初步研究。很顯然，進一步研究集中于貼補法的檢測，而對于挖補還沒有相關研究。3 .有限元模型為了模擬修補層合板（補片和主板）的機械性能，可以使用ANSYSWorkbench12進行

32、三維有限元分析（FEA）。已經對貼補法進行了詳細應力分析，并簡要分析了挖補修補性能，由于這些修補性能主要通過數字圖像相關（DIC）和超聲導波（蘭姆波）進行評估。編織（HTA/M21）和單向（T700/M21）碳纖維材料的彈性性能主要通過測試試樣的應力一應變獲得，見表1和2。我們考慮是準各向同性層合板，并且只研究軸向（加載方向）的彈性性能。3.1 挖補面板建立挖補的三維有限元模型能夠比較和評估實驗結果。挖補模型是一個尺寸為250mmX200mrtK2.8mm的矩形板，挖補角度約2。假定了編織HTA/M21碳纖維補片和主板的彈性性能，見表1。膠接層的拉伸和剪切彈性模量由文獻53得至U（E=1.65

33、GPaandG=0.95GPa該模型使用了20個節(jié)點實元素，總共20610個元素，如圖6。挖補模型的接觸區(qū)域比外接補片模型復雜。接觸區(qū)域定義如下：挖補區(qū)域的膠液粘結到層合板和挖補補片的修補層，表面的膠液粘結到層合板和外補片上。膠接接觸式和接觸元件采用對稱接觸。通過固定一邊，在另一邊的縱向施加載荷，來模擬邊界條件。為了觀察網格對所計算應力分布依賴性的研究，在高應力集中區(qū)域進行收斂研究。圖6有限元網格模型和挖補配置的橫截面3.2 貼補法面板有限元模型能評價修補技術的整體性能。分析補片，膠層，主板的應力分布，以得到貼補法關鍵的設計參數。模型是一個尺寸為120mrrX45mnrK2.4mm的矩形板，板

34、中心是直徑為5mm的孔。用貼補法的平板見圖7。模型用20個節(jié)點實元素編織。主板和補片使用兩個元素，膠層僅用一個元素。膠接接觸式和接觸元件采用對稱接觸。邊界條件和載荷同挖補法有限元模型中的定義相同。圖7貼補法的有限元網格模型4結果與討論4.1 實驗結果4.1.1 開孔拉伸試樣數字圖像相關技術(DIC)能對鋪層順序為(0/90/45/0/90)3t的開孔HTA/M21碳纖維試樣(175mm長50mm寬，孔直徑為5mm)進行細致應變測量。DIC實驗前，以極限拉伸強度(53KN)的80%(42.4KN)和90%(47.7KN)的載荷加載，然后用X射線檢測并同DIC應變測量結果比較。為了準備DIC實驗的

35、測試試樣，應該用噴漆器和白漆（由于CFRP試樣的背面是黑色）在試樣表面制得散斑圖，見圖8。分析散斑圖（隨機大小和分布）的質量。試樣用液壓鉗放在測試機器上。由于這一試驗要測試內表面位移，因而需要2452X2052像素的攝像機。ScheneiderKreuznachXenoplan2.8/50mm鏡頭安裝到試樣前三腳架的相機上。光照系統(tǒng)包括放置在試樣兩側的兩個燈，以便提供均勻的照明。相機放在平行于試樣600mm處。圖像由相關解決方案公司的Vic-Snap軟件記錄，速度是每秒1個圖像，空間分辨率是0.016mm/pixel。測試實驗數據用相關解決方案公司的Vic-2D軟件處理。選才32M2像素的相關

36、子集進行DIC計算。該子集尺寸足夠大，以確保用于相互關聯的區(qū)域有足夠不同的圖案。圖9（左）描繪了不同加載階段（極限拉伸強度（UTS）的80%和90%）有孔試樣的X射線。結果表明孔的周圍有不同的損傷類型，如樹脂裂紋（基體裂紋）偏軸45。，90。和0。裂紋的發(fā)生。結果也表明在孔周圍會有非對稱損傷發(fā)生：孔的左側比右側存在高應變集中。這一影響因素基于不同因素，如加載過程中試樣的偏差，試樣厚度差異或試樣非均勻載荷。圖8表面有隨機斑點的HTA/M21有孔試樣開孔試樣的損傷過程也用2D-DIC技術檢測。圖9（右）顯示了與先前分析中相同加載階段的Hecnky應變曲線的DIC結果。結果顯示在孔的邊緣會發(fā)生高應變

37、集中（80%UTS是max=0.0349,90%UTS是max=0.0551）,特別是在00分裂和90。的偏軸基體已開始分裂的左側，如X射線所觀測到的。圖9（左側）拉伸載荷下HTA/M21有孔試樣不同階段的X射線圖像。（a）UTS（53kN）的80%（42.4kN）和（b）UTS的90%（47.7kN）。（1）和（2）是90和45基體裂紋，（3）是0裂縫。（右側）相同載荷條件下的DICHencky應變結果。（a）UTS的80%和（b）UTS的90%。用X射線觀測到的損傷和測量應變場之間的比較表明，應變分布和高應變區(qū)域的轉移與發(fā)生在孔周圍的損傷類型（分裂，基體裂紋）有直接關系，因此能夠預測裂紋增

38、長發(fā)生在何處。4.1.2 挖補法修補運用低頻PZT激發(fā)的蘭姆波對挖補的結構完整性進行初步評估，目的是對蘭姆波與3D-DIC技術進行比較。因此，面板表面安裝的8個傳感器厚1mm,直徑10mm,能形成16個傳播路徑，從而覆蓋所有關鍵區(qū)域。面板噴有散斑圖案，以使用DIC方法記錄圖像，見圖10。兩個PZT膠接在面板背面，通過路徑2B,2D和類似激發(fā)與接收信號組合的比較，來評估非線性尺寸對記錄信號的影響因素。通過漢寧窗調制的正弦波，激發(fā)信號的峰值是10V,5個周期，激發(fā)頻率是225kHz。使用的起波器是TTiTGA123030MHz模型，并用LeCroyLT224示波器以50MS/s采樣率采集數據。第一

39、步，記錄加載前未損條件下的讀數。這些數據集作為基準參考，隨后表征每個加載階段。傳感器用快速膠粘結，由于補片外層會脫膠，使得傳感器與測試表面失去聯系，因而將它們安裝在修補區(qū)域外表面。通過濾波器對記錄信號的雜質進行預處理。圖10用蘭姆波進行測試的PZT排列3D-DIC分析中所用圖像由兩個像素超過五百萬的數碼相機獲得。相機鏡頭是Schneider-KreuznachXenoplan2.8/50mm,為了同放大水平一致，它與試樣對稱放置。實驗中用普通白光照射試樣。挖補板的整體實驗裝置如圖11所示C圖11單軸拉伸載荷下DIC和蘭姆波測試的實驗裝置拉伸測試實驗前，通過相關解決方案公司的Vic-Snap軟件

40、和15mm間距問隔均勻的圓點圖案校準相機系統(tǒng)。此實驗中相機系統(tǒng)裝置的校準結果如表3所示，中心（x,y）指的是鏡頭中心傳感器的位置，焦距（x,y指的是像素中鏡頭的焦距，傾斜指的是傳感器探頭的傾斜，Kappa（1,2,3用鏡頭的徑向畸變系數，角度（a,B，是暫冷相機間的三個角度（立體角是位,距離Tx,Ty,Tz是相機1和2之間的距離。對于本實驗系統(tǒng)，校準結果也表明，校準后，圖像像素位置殘差的標準偏差小于0.02像素。表3相機系統(tǒng)的校驗結果Omcrd1Camera2TansfomiatLonsCemcerx(pixel)I2D5370.076y(pixel)msaisMt)23aFocalIrnff

41、thk(pixel1S177.615161.1?：deg)-0.1475FoejJ1engrhy(pLw：!：I5l77.fi15161,1Skew1322610.93G8Ta(mm)-502.534Kjppa10.0277K(mmi啟1洶200I.(mm爭Kjppa3口0Baseline(mm!512J69試樣在準靜態(tài)拉伸下加載，蘭姆波信號和DIC圖像在10W0kN與170kN問記錄。在這一載荷下，用于夾緊試樣的孔周圍產生裂紋，會使樣板過早失效12o由于復材的脆性，這一復雜現象在測試中很常見，而且它們不能通過塑性流動以減小孔周圍的起始局部應力。最后試樣加緊和設計的制造特點需要在靜態(tài)或動態(tài)載荷

42、下按照合適的規(guī)范來測試；試樣末端標簽需得是與標距長度相關的尺寸。然而，用兩種研究方法對面板進行表征，收集的數據量已足夠得到關于損傷檢測的結論。測試中的DIC圖像用Vic-3D軟件處理。所選子集足夠大，以確保相關區(qū)域有十分明顯的圖案。3維DIC分析提供了所考慮載荷的情況下修補區(qū)域的應變圖。有意義的應變在加載方向（yy）上獲得。最具代表性的負載結果列在圖12中。圖12全場DIC結果：沿載荷方向不同載荷階段修補區(qū)域表面的應變分布：40,80,120,140,150和170kN。由目前分析來看，對于局部應力集中的研究是為了確定修補區(qū)域是否有內部損傷。這對于蘭姆波分析是很重要的一步。挖補法修補的拉伸強度

43、預計在有孔和無孔試樣的拉伸強度之間。然而，廣為接受的最佳補片裝置應該能夠將強度恢復到無損層壓板強度的70-80%2,3。因止匕，挖補法修補的最大拉伸強度預計約在409和468MPa之間。止匕外，有幾個降低強度的因素，如制造過程中引入的裂縫。根據孔周圍預計的最大應力達到170kN時，415MPa的許用應力接近修補片的失效載荷。這一數值是在170kN的載荷下通過DIC數據應變分析測得?，F在分析可得由于過早夾緊失效，即使載荷沒有達到挖補法的極限強度，也會發(fā)生局部內部損傷。這一假設都可以從DIC數據和蘭姆波分析驗證。記錄所有載荷下的蘭姆波，直到面板失效。在良好條件下，傳感器2記錄的響應信號作為一個有代

44、表性的例子列在圖13中。在目前數據中，驅動器連接的傳感器距離的影響因素是明顯的。當比較路徑2B和2D時，人們可以看到即使接收時間一致，波包形狀類似，然而由于挖補法修補的不對稱尺寸，路徑2存在相當大的衰減。圖13傳感器2無載荷條件（基準參考）下的響應信號通過比較每一損傷的后續(xù)信號和基準參考信號，可以評估記錄的信號。圖14中，典型負載水平的響應信號由傳輸路徑2A顯示。由于層間裂紋和纖維斷裂內部損傷的發(fā)展，隨著載荷增加，振幅有明顯降低。圖15中，代表不同負載的響應信號由傳輸路徑2c顯示。隨著所施加力的增加，可以觀察到明顯的相位偏移。這一圖像僅顯示了波形的前兩個包。最后峰一峰幅值被定義為能評估挖補結構

45、完整性和考慮多個傳播路徑的損傷指數。為了減少板塊邊界的相互作用，主要研究第一個波包的振幅，由于其與后續(xù)損傷有直接關系。圖16列出了不同載荷水平的損傷指數。當前工作研究損傷指數，它的靈敏度與記錄的DIC圖像和不同幾何尺寸路徑間的相互作用有關。Smiiplingpoints圖14傳輸路徑2A在代表性載荷下的響應信號（損傷的衰減）圖15傳輸路徑2c在代表載荷下的傳輸路徑（損傷處相位偏移；前兩個波包）Loadd&vel（kN）圖16不同載荷下的損傷指數（峰-峰幅值）首先，對于特定傳輸路徑來講，120kN后損傷指數下降，而所有的傳輸路徑在140kN后都下降。這一現象與120kN或更準確說140kN后的實

46、際情況吻合，DIC圖像拍攝到常發(fā)生在基板孔周圍和補層處的變形（得到樹脂開裂過程中的不連續(xù)和可能的失效模式）。而且，路徑3A和3c顯示相比其他分析路徑，特別是在140kN后，損傷指數有相對較高的變化。這一載荷水平下，各自的DIC圖像已得到補片末端的高應變，并接近夾緊處。因此，損傷指數中的變化是合理的。路徑2D沿著樹脂填充孔直接傳播，這一地方很可能發(fā)生高度變形和內部起始裂紋。這一路徑的損傷指數相對高達120kN,然后顯著降低，并能通過孔周圍的應變場驗證。路徑2c和4c有相似的行為，由于它們沿著面板不同側的相同方向傳播。最后如果考慮上方夾緊處的面板失效，就能解釋路徑1A損傷指數的靈敏度，所以補片很可

47、能受該區(qū)域高應力分布的影響，從而導致了130kN后傳感器1的脫膠；這一級別捕獲信號的幅值降到00目前研究工作，比較不同方法對初期損傷階段損傷靈敏度的表征。最后用超聲C掃描和X射線測試對失效后的面板進行表征，見圖17。它表明沒有永久損傷。然而在復材結構中，像內部分層和未達到臨界長度的層間樹脂開裂這些早期損傷是很常見的，而且能在卸載后閉合。這一觀察突出了獲得早期內部損傷在線監(jiān)測（DIC和蘭姆波）的優(yōu)點，這些損傷對于復材結構可能是災難性的，而且不能由離線測試技術如C掃描和X射線得到。bonding of pli電后 In scairf patch圖17 170kN載荷卸載后用C掃描（a）和X射線圖像

48、（b）的離線測試結果4.1.3 貼補法試樣對單側補片和雙側補片的貼補法試樣進行測試。每一組三個試樣拉伸測試的平均實驗結果列在表4中。計算拉伸強度時用到了試樣的總截面。兩個修補裝置的試樣失效模式列在圖18中。表4單側和兩側修補試樣的拉伸強度Measurements685 MPa704 MPaSpecimenT700M2(0/90/+45WSOJitSinglesiderepairBathsidesrepair圖18外接修補試樣在拉伸載荷下的失效即使單側修補的失效載荷相當低，但是橫向平面孔的應力集中沒有同雙側修補減少的幾乎一樣，兩種修補配置的失效機理是相似的。拉伸載荷下貼補法試樣的不同失效模式列在

49、圖18中。很明顯，單側修補和雙側修補試樣的失效模式很相似。由于高剪切應力，重疊區(qū)域的膠層首先失效。使用太大的補片或粘結質量不好時，就會發(fā)生這種失效模式。在一定載荷下進行拉伸測試，可觀察到補片相對完整，由于失效后，主板材料仍粘結有補片。補片從主板上脫膠后，缺口試樣在孔的兩個橫向仍會發(fā)生類似失效行為。三維DIC技術能夠研究單側補片修補技術在拉伸載荷下的性能。這是通過兩側有白漆的散斑圖案完成的。為了分析主板和補片的性能，可以檢測試樣兩側。進行這一試驗前，如上一節(jié)類似的方法，對相機系統(tǒng)進行校準。實驗中用普通白光照射試樣。兩側DIC觀測的應變圖如圖19和20所示。圖19描繪了Hencky應變圖在45kN

50、拉伸載荷下的三維DIC結果。用試樣沒有補片的一側進行研究，并分析補片區(qū)域的應變分布。有限元模型用于比較確定載荷下的DIC圖像?？紤]到孔存在下的高漸變，圖19中所示加載方向（yy）應變分布的比較顯示了DIC觀察和有限元分析之間良好的一致性。必須指出鉆孔過程中引起的孔周圍的損傷，使得剛度降低，孔的幾何尺寸不標準。圖20描繪了單側修補試樣在補片側以45kN載荷拉伸，就Hencky應變而言的三維DIC結果。加載方向（yy）的結果表明沿加載方向補片（上方和下方）邊緣存在高應變。這些結果與圖18中的失效分析，和文獻2,7的實驗與數據結果是一致的。當主板和相對較強的補片膠接時，將會發(fā)生這種失效模式，而且在膠

51、接區(qū)域會引發(fā)高應力，膠層引發(fā)高剪切應力。然后膠層首先失效，補片從主板上脫膠。4.2 數值結果4.2.1 貼補法結果為了研究修補配置的性能（單側或兩側補片修補），用有限元數值模擬研究拉伸載荷下，主板，補片和膠層上的高應力臨界位置。圖21顯示了有孔拉伸強度676MPa應力下的應力分布結果。主板上的高應力臨界位置被指定為點A（孔的橫向）和點B（重疊層的邊緣或前面）。主板上高應力區(qū)域的位置同圖20所示加載方向的實驗結果一致。修補材料的剩余強度由臨界位置的應力集中因素（SCF）和無孔材料拉伸強度間的關系確定，假設結構的最大應力與材料無孔拉伸強度相等時將發(fā)生失效。圖20單側補片修補的T700/M21試樣在

52、拉伸載荷45kN下由DIC得到的Hencky應變的應變分布。加載方向定義為y軸。（a）應變分布Xx（奴-max=0.195%）（b）應變分布&y（皿-max=1.07%）（c）應變分布勺y（勺y-max=4.06%）兩種修補配置的應力結果表明隨著補片厚度的增加，A點的SCF減小，然而，B點的SCF增加。就單側修補而言，B點的SCF持續(xù)增加，但從沒超過A點的SCF,但對于兩側修補而言，當補片厚度達到一定值（1.3mm）時，B點將出現高應力。止匕外，單側修補配置的補片比另一配置需承受相當高的應力，但不會超過所施加應力的值。圖21表明補片（孔邊緣的C點）處存在高應力（沿加載方向），但補片較厚時，應力

53、將減小。貼補法最重要的參數是膠層。圖21表明圖剪切應力（xy）出現在重疊區(qū)域的邊緣（點B）,此處最容易出現脫膠。膠層的另一重要因素是剝離應力（Oyy）,隨著外接補片變厚，它與剪切應力也增加。這些結果可以預測貼補法的恢復強度（recovery）o如果斷裂前沒有塑性變形發(fā)生，我們可以假設當結構的最大應力等于無孔材料的拉伸強度（notched）時，會發(fā)生1失效，例子見文獻2,54。因而，我們可以計算恢復強度仃recovery=仃unnotched,其Kt中Kt表示A處的應力集中系數，見圖21。兩種配置的補片厚度是1.1mm,無孔材料的拉伸強度是996MPa。對于兩側修補結構，A點的應力集中系數是1.

54、33,預測剩余強度是749MPa,大約占了無損拉伸強度的75%,比測量值高6%,見表4。對于單側修補配置，A點的應力集中系數沒有兩側修補減少的多，因此認為接近有孔拉伸強度處會發(fā)生失效，從而導致修補質量差，這也可以從實驗觀察中證實。Par”，Flntv圖21施加676MPa應力時膠接補片修補臨界位置的應力帶圖。主板和補片：加載方向的應力帶圖（加）；膠層：剪切應力帶圖（網）從數值模擬的應力結果可看出進一步修補優(yōu)化是可能的。圖22描繪了主板上作為補片厚度功能的A點和B點的SCF結果，表明了A點SCF的Kt=1.21時，最佳補片厚度是1.3mm。從恢復強度的公式可知，這一典型修補配置的剩余強度約為82

55、3MPa,大于未損傷強度的80%。上述應力分析的結果也能很好的反應修補結構沿修補區(qū)域失效的起始和發(fā)展位置。應力分析結果與Liu和Wang7等人先前提出的貼補法沿拉伸載荷方向的失效模式相同。圖22兩側修補配置的最佳補片厚度圖23列出了修補試樣同無孔和有孔試樣相比的性能。實驗和數值兩種分析認為單側補片修補效果不好，由于缺乏承載能力，通常產生失效的孔的橫向平面存在有限應力降低。這種修補技術僅被認為是損傷區(qū)域的維護方式而不是恢復部件的結構功能。T700/M21r-imcntai) QpfMTi154 d rp建sidesfEA IfeWMdgHii M” tHperifnantril- R電 pMr

56、d cn ude1ME* 曲/圖23 T700/M21復材系統(tǒng)在拉伸載荷下的實驗和數值結果一 Eds工12任.1皿一立之4.2.2 挖補結果挖補技術比貼補法方法的連接效率高。然而，這種修補方法也十分復雜和費時。挖補模型的目的是研究拉伸載荷下的應變和位移分布。對接近面板失效載荷（170kN）的數值模型進行分析，以檢測修補區(qū)域的應變和位移分布，這與三維DIC技術的實驗安排類似。圖24顯示拉伸載荷為170kN時，沿載荷方向的位移和應變分布。數值模擬和三維DIC技術的結果列在表5中，可看出其基本吻合。圖24加載方向的縱向位移（%-max 2mm和修補區(qū)域的正常應變（ E-max 0.60%;引起分層的樹脂裂紋和分裂表5挖補板表面在170kN載荷下沿加載方向三維DIC和FEA間應變分布的比較MethodAveragedstrainrv.Centreofthepatch(%)Averagedstrainnv.Patchedges(X)3DDIC0.730.58FEA0.510.60兩種方法得到的應變值可進一步估計HTA/M21復材系統(tǒng)的實驗結果。這一載荷（約310MPa）下的期望應變是0.63%,同整個修補區(qū)域的平均應變值相近。由于主板外接補層間膠接和有限元模型中的挖補補片，可觀察到微小不匹配，然而在實際中，挖補補片和外接層之間沒有多余膠液，