鋁合金蒙皮光固化膠接修補(bǔ)疲勞性能實(shí)驗(yàn)研究

劉成武，魏東，李秋艷

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000）

光固化膠接修補(bǔ)技術(shù)是一項(xiàng)節(jié)能、快捷的修補(bǔ)新技術(shù)。以LY-12 鋁合金預(yù)制裂紋板為修補(bǔ)對(duì)象，分別用鉚接和光固化膠接2 種方法進(jìn)行修補(bǔ)，在疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞壽命對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考察光固化修補(bǔ)效果。采用等幅高頻加載和按某型飛機(jī)機(jī)翼疲勞載荷譜加載2 種方法，對(duì)光固化膠接試件與等強(qiáng)度鉚接試件進(jìn)行拉伸疲勞對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1 試件

試件分為鋁合金裂紋板、等強(qiáng)度鉚接修補(bǔ)裂紋板、全寬度光固化復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)裂紋板和半寬度光固化復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)裂紋板4種類型。

1.1 制備鋁合金裂紋板試件

選用厚度為2 mm的LY-12鋁合金板，加工成尺寸為250 mm×100 mm×2 mm 的試件若干，用線切割機(jī)在試件中心切割出20 mm的人工預(yù)制裂紋。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況可考慮對(duì)端部進(jìn)行加強(qiáng)，供實(shí)驗(yàn)時(shí)夾具夾持。試樣如圖1所示。

圖1 鋁合金裂紋板試樣Fig.1 Specimen of aluminum alloy cracked plate

1.2 制備光固化修補(bǔ)試件

以上述制作的鋁合金裂紋板試件為修補(bǔ)對(duì)象，以自制的光固化復(fù)合材料預(yù)浸料補(bǔ)片為修補(bǔ)材料，按以下步驟加工試樣。

1）在裂紋板上劃出修補(bǔ)范圍并進(jìn)行打磨和清洗[1]。

2）貼片。按需要的尺寸剪裁補(bǔ)片并將其貼補(bǔ)到待修表面（單面貼補(bǔ)），用滾筒輕輕碾壓補(bǔ)片使之與鋁板緊密貼合[2]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模譃槿珜挾裙夤袒瘡?fù)合材料（補(bǔ)片尺寸為80 mm×100 mm×2 mm）和半寬度光固化復(fù)合材料（補(bǔ)片尺寸為60 mm×50 mm×2 mm）。

3）固化。用200 W 紫外光燈距離補(bǔ)片100 mm輻照8 min，即可[3]。

半寬度光固化修補(bǔ)試樣如圖2所示。全寬度光固化試樣膠接寬度與裂紋板寬度一致，寬度為100 mm。

1.3 制備鉚接修補(bǔ)試件

圖2 半寬度光固化修補(bǔ)試樣Fig.2 Specimen of half width light-cured bonding repair

以鋁合金裂紋板試件為修補(bǔ)對(duì)象，采用同質(zhì)LY-12 鋁板作為補(bǔ)片，尺寸為50 mm×100 mm×2 mm，對(duì)裂紋板進(jìn)行等強(qiáng)度單面鉚接修補(bǔ)。距裂縫14 mm處沿鋁板寬度方向均勻鉚接2排鋁質(zhì)鉚釘，鉚釘間距為15 mm。試樣如圖3所示。

圖3 等強(qiáng)度鉚接修補(bǔ)試樣Fig.3 Specimen of constant strength riveting repair

2 實(shí)驗(yàn)

在MTS810 靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)。分別進(jìn)行等幅高頻疲勞試驗(yàn)和按某機(jī)翼實(shí)際疲勞載荷譜加載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中用放大鏡檢測(cè)試件裂紋擴(kuò)展情況，測(cè)量并記錄裂紋擴(kuò)展增量Δa。試件發(fā)生疲勞破壞時(shí)，記錄疲勞破壞的壽命及破壞形式。

2.1 等幅高頻疲勞實(shí)驗(yàn)

加速條件為：平均載荷12 kN；載荷幅值10 kN；試驗(yàn)頻率121.5 Hz。

分別對(duì)光固化修補(bǔ)、鉚接修補(bǔ)的鋁合金裂紋板以及未修補(bǔ)的裂紋板進(jìn)行疲勞對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見表1。

表1 等幅高頻疲勞對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of equal-amplitude high-frequency load spectrum

2.2 載荷譜疲勞實(shí)驗(yàn)

為盡可能模擬飛機(jī)實(shí)際載荷和變化規(guī)律，采用某型殲擊飛機(jī)機(jī)翼疲勞載荷譜，選擇該機(jī)翼下壁板蒙皮上應(yīng)力水平最高部位應(yīng)變值的1.5 倍作為本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)力譜，加載頻率為10 Hz。對(duì)等強(qiáng)度鉚接試件與光固化修補(bǔ)試件進(jìn)行拉伸疲勞對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖4所示。

圖4 半寬度光固化修補(bǔ)、全寬度光固化修補(bǔ)和金屬鉚接修補(bǔ)試樣的疲勞破壞壽命比較Fig.4 Fatigue life comparison of half width light-cured bonding repair，all width light-cured bonding repair，and constant strength riveting repair

3 結(jié)果與討論

3.1 等幅高頻疲勞實(shí)驗(yàn)分析

從表1試件失效時(shí)的疲勞壽命（次）變化趨勢(shì)可見：鉚接修補(bǔ)比未修補(bǔ)高出61.83%，光固化修補(bǔ)比未修補(bǔ)高出119.08%，光固化修補(bǔ)較鉚接修補(bǔ)高出35.37%。由于光固化膠接修補(bǔ)較鉚接修補(bǔ)載荷分布均勻，因而疲勞壽命得以延長(zhǎng)。

3.2 載荷譜疲勞實(shí)驗(yàn)分析

圖4 為鉚接修補(bǔ)、半寬度光固化修補(bǔ)和全寬度光固化修補(bǔ)試件疲勞壽命比較。結(jié)果顯示：光固化修補(bǔ)試件疲勞壽命略高于鉚接修補(bǔ)的疲勞壽命，全寬度光固化膠接修補(bǔ)疲勞壽命略高于半寬度光固化膠接修補(bǔ)試件疲勞壽命，全寬度光固化膠接修補(bǔ)疲勞壽命高出金屬鉚接9.00%。原因是光固化膠接修補(bǔ)時(shí)疲勞載荷較鉚接更為均勻，使得裂紋擴(kuò)展速率有所下降，疲勞壽命有所增加；全寬度光固化膠接修補(bǔ)較半寬度光固化膠接修補(bǔ)承載面積增大，疲勞應(yīng)力水平有所降低，因而疲勞壽命有所延長(zhǎng)。

4 結(jié)論

1）光固化膠接修補(bǔ)方法可以明顯延緩疲勞裂紋的起始擴(kuò)展。

2）光固化膠接修補(bǔ)疲勞性能優(yōu)于等強(qiáng)度鉚接修補(bǔ)，在等幅高頻加載和按某型飛機(jī)機(jī)翼疲勞載荷譜加載2 種實(shí)驗(yàn)方法下，疲勞壽命分別延長(zhǎng)了35.37%和9.00%。

3）全寬度光固化膠接修補(bǔ)優(yōu)于半寬度膠接修補(bǔ)，使用時(shí)補(bǔ)片尺寸應(yīng)盡量選取推薦值的上限。

[1]翟海潮，李印柏，林新松. 粘接與表面粘涂技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993：50—68.

[2]歐陽國(guó)恩.復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1997：24—32.

[3]王德海，江欞.紫外光固化材料理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2001：86—159.