超声相控阵技术研究复合材料胶接修补结构的疲劳失效机理

The status of composite patch repair is directly related to the life extension efficiency of the repaired structure under fatigue the conditions. The detection of the repaired structure is the key to ensure its application. Detection by ultrasound test realizes the accurate evaluation of the structure, not only helping us to understand the fatigue essence and failure mechanism of composite patch but also having a guiding significance for the design of the repaired structure. This work carries out the failure detection of composite patch in the fatigue condition by ultrasonic phased array technology, based on the fatigue testing. First, the mechanical model and the S-N curves for fatigue life is put forward to predict the life of the repaired structure. Then, the characters of acoustic field with array transducer is designed to adapt to the configuration mode which inspects the defects. Next, the technology of temporal and spatial control with the sound beam by ultrasonic detection is investigated, which achieves a whole coverage of testing area and adaptive focusing. Finally, the echo signal processing method of patches is performed to quantitatively identify the defects and images. The fatigue damage parameters of repaired structure are indicated to illustrate the failure mechanism.

复合材料胶接修补结构在疲劳条件下的使用状况直接关系到修补结构的延寿效率，对修补结构的检测和评价是保证其应用的关键。通过超声检测实现对胶接修补结构的精确评价，不仅有助于深入理解复合材料胶接修补结构的疲劳本质和失效机理，而且对修补结构的设计具有指导意义。本项目以玻璃纤维复合材料胶接修补结构为研究对象，在疲劳试验的基础上，实现超声相阵控技术对胶接修补结构的失效评价。首先，建立胶接修补结构的力学模型，进行疲劳寿命预测；然后，研究阵列换能器声场特性，设计适应于复合材料构件缺陷检测的换能器阵列配置模式；再次，研究相控阵超声检测声束时空控制技术和相位延迟算法，实现检测区域内声束全覆盖和自适应聚焦；最后，研究复合材料胶接修补结构的缺陷回波信号处理方法，进行缺陷特征识别和图像表征的量化评价，提出复合材料胶接修补结构的疲劳损伤表征参量。

本项目以复合材料胶接修补结构为研究对象，研究中以基础理论研究为主，从修补用胶、修补结构等方面开展工作，为今后的胶接修补结构及失效评价提供一定的理论依据。首先，以复合材料修补结构最常用的环氧结构胶为研究对象，本研究认为胶接的固化过程直接影响到修补效果。研究中重点分析了环氧结构胶的固化条件影响因素，采用正交试验方法设计固化条件及交互影响，应用STATISTICA 7.0软件对试验结果进行统计分析，分别以固化条件因素作为自变量，拉伸剪切强度和冲击韧度作为因变量，进行试验数据的系统分析。根据实验结果分析，以正交试验中的固化温度、固化时间、晾置时间和表面粗糙度四个因素为A、B、C、D自变量，分别拟合出拉伸剪切强度和冲击强度的回归方程。第二，针对LY12铝合金孔洞穿透型损伤板，采用圆形补片修补，运用ANSYS软件建立了修补模型，并应用数值模拟方法进行求解。较系统地分析受损板在承受单向静拉力时的应力分布情况，通过对比不同参数状态下的强度结果，最终确定所研究的因素对胶接强度的定性影响。胶接修补对降低结构的峰值应力起到了十分重要的作用。胶接修补后的结构，在未破坏状态下，可以使受损母板的失效概率降低到未修补前的一半。而且随着远离受损孔边缘，应力值呈现较快下降趋势。对板厚为5mm的受损铝板而言，0.2mm厚度的胶层有较好的修补效果。补片直径最适合范围为受损孔直径的1.67~2.5倍。在此区间内，受损母板通过胶接修补，强度能够得到较佳的恢复效果。双面修补比单面修补具有更为出色的增强效果。第三，研究了实际修补中的材料选择和改进方法。根据研究中所选的胶粘剂品种，以冲击强度为选择参考指标，优选环氧树脂胶为修补用胶，并提出了修补用胶的工艺条件。在保证胶接强度的前提下，在冲击强度严格要求时，可选择聚氨酯胶。为了进一步提高修补结构的强度，选用偶联剂改性的手段。偶联剂改性属界面相容性改进之一，能较好地增强胶接修补结构的力学强度。第四，对胶接固化内应力进行了分析，并针对有限元模型，研究了固化工艺条件对固化内应力的影响。最后，在能够满足强度恢复的条件下，原则上尽量少破坏原结构的材料的前提下，使用了不同的阶梯形挖补维修方法，对复合材料层合板结构的应力进行分析，从而得出了几种不同维修方法对应的修补层合板的极限强度。