复合材料修补金属裂损结构吸湿老化的试验与有限元分析

发布时间：2021-01-14 02:58

　　暴露在湿热环境中的复合材料修补金属裂损结构易吸湿老化,导致该结构性能下降,服役寿命缩短。为研究吸湿性对复合材料修补金属裂损结构修补效果和耐久性的影响,利用试验方法分析了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构及胶黏剂力学性能的影响;利用有限元方法评估了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构试验件修补效果和耐久性的影响。研究结果表明:吸湿后含穿透双边裂纹铝合金板玻璃纤维单面胶补试验件的疲劳裂纹扩展寿命和极限载荷的平均值分别下降为吸湿前的71%和90%;吸湿造成拉伸条件下复合材料胶补金属裂损结构胶层失效模式由内聚破坏为主转变为界面破坏为主;在"湿-热"老化30天后,E44/聚酰胺环氧树脂胶黏剂试验件吸水饱和,弹性模量下降为未老化前的40%,塑性应变超过了总应变的25%;有限元分析发现胶层损伤受吸湿影响明显,吸湿性加速了胶层损伤,且裂纹长度越长,加速作用越明显;同时吸湿使得裂纹尖端的J积分值急剧增大,导致修补结构的疲劳裂纹扩展寿命缩短,裂纹长度越长,吸湿性对于复合材料胶接修补效果的危害越严重。 

【文章来源】：国防科技大学学报. 2020,42(04)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

未修补试验件、未老化修补试验件和

未修补试验件、未老化修补试验件和

胶黏剂试验件制作过程如图4所示。共制作了28件胶黏剂试验件,分别在40 ℃蒸馏水中进行浸水0天、1天、5天、10天、20天、30天、40天的7组环境试验,每组试验件的数量为4。对不同老化程度的28件E44胶黏剂试验件进行了单向拉伸试验,不同浸水时间下胶黏剂试验件的真实应力-应变曲线如图5所示。从图5中可以看出,随着吸湿时间的增加,胶层极限强度急剧下降,浸水时间对胶层力学性能的影响较大。在浸水10天后,胶黏剂的极限强度下降为未浸水时的51%,弹性模量也下降为原来的45%。在浸水时间超过20天后,弹性模量下降为未老化试验件的40%,极限强度下降为未老化试验件的43%。在浸水30天以及40天后,胶黏剂试验件的力学性能变化不大,说明胶黏剂试验件吸水饱和,其塑性应变超过了总应变的25%。对于含穿透双边裂纹铝合金板复合材料修补结构,复合材料补片延缓疲劳裂纹扩展的效率随着暴露在“湿-热”环境中时间的增加而不断下降,湿气造成胶层强度和刚度性能衰减,导致铝合金板胶层界面的脱胶和补片的侵蚀。可以推断,当复合材料胶接修补结构受到较大拉伸载荷时,未老化试验件的胶层处于弹性阶段,而吸湿后的老化试验件胶层却发生较大塑性变形,当塑性变形达到一定值时,胶层将发生破坏,最终导致复合材料补片的脱落。因此,可以通过建立修补结构的有限元模型,以胶层前后的材料性能变化为依据,通过胶层塑性区尺寸以及裂纹尖端J积分为损伤依据,分析吸湿对复合材料胶接修补结构耐久性和修补效果的影响。

【参考文献】：
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本文编号：2976071