工程機械結(jié)構(gòu)損傷的再制造膠粘修復(fù)技術(shù)

劉寧，殷晨波，王子朋，徐歡

(南京工業(yè)大學(xué) 車輛與工程機械研究所，江蘇 南京 211816)

0 引言

再制造是指：對處于壽命周期內(nèi)的舊機械結(jié)構(gòu)做分解和清洗，將其中的損傷部件進行修復(fù)和重新裝配，并通過合理有效的試驗手段驗證，最后使再制造機械結(jié)構(gòu)的性能和可靠性達到或者接近原制造精度的一種技術(shù)[1]。

工程機械的使用環(huán)境異常復(fù)雜，其金屬結(jié)構(gòu)承受復(fù)雜的交變載荷，在全壽命周期內(nèi)容易發(fā)生疲勞損傷，同時疲勞損傷也將使表面產(chǎn)生裂紋。含有疲勞裂紋的損傷結(jié)構(gòu)成為單個工程機械整體中最薄弱的環(huán)節(jié)。

本文提出利用再制造膠粘修復(fù)技術(shù)對工程機械中含有表面疲勞裂紋的損傷結(jié)構(gòu)進行再制造修復(fù)。這項技術(shù)采用力學(xué)性能強的復(fù)合材料補片，通過環(huán)氧結(jié)構(gòu)的膠粘劑將補片膠粘于含有裂紋的損傷結(jié)構(gòu)表面，建立損傷結(jié)構(gòu)-膠粘劑-復(fù)合材料補片三者為一體的再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)。再制造修復(fù)通過膠層中的膠粘界面將損傷結(jié)構(gòu)承受的一部分載荷傳遞給補片，以此緩解損傷結(jié)構(gòu)裂紋尖端的應(yīng)力集中，延緩裂紋生長，使其擴展趨勢放緩。形成再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)以后，整體結(jié)構(gòu)強度和承載能力均獲得明顯提升，工作壽命周期得以延長。

1 研究背景

1) 根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2016年度我國固定資產(chǎn)投資完成額達59.65萬億元，同比增幅達8.1%；其中，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資額達15.2萬億元，同比增幅達15.7%。另外，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占工程機械下游總需求40%左右，推動行業(yè)發(fā)展。

2) 再制造在中國始于2005年，經(jīng)過12年的高速發(fā)展，已在汽車和機電領(lǐng)域嶄露頭角。2015年5月，國務(wù)院頒布《中國制造2025》 ，提出推進再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強專業(yè)人才培養(yǎng)，深化標準制定以及升級核心技術(shù)的指導(dǎo)方針。

3) 受制于創(chuàng)新能力后勁不足、產(chǎn)業(yè)附加值偏低、原材料上漲等原因，近幾年制造業(yè)效益增長受限。包括工程機械在內(nèi)的諸多細分行業(yè)遭遇寒冬。加強技術(shù)創(chuàng)新，尋找新增長點成為當(dāng)務(wù)之急。

4) 工程機械保有量非常可觀，其中包括很大比例含有缺陷、存在風(fēng)險、面臨退役的工程機械設(shè)備。隨著再制造核心技術(shù)逐步加強，產(chǎn)業(yè)化前景十分明朗。根據(jù)2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)最大值整理，總量為718萬臺。圖1為截至2015年我國工程機械的保有量示意圖[2]。

圖1 截至2015年我國工程機械主要設(shè)備保有量

2 再制造膠粘技術(shù)的優(yōu)勢分析

再制造膠粘修復(fù)技術(shù)作為再制造的關(guān)鍵技術(shù)得到深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，相比傳統(tǒng)方法(螺接、鉚接和焊接)，有以下明顯的優(yōu)勢[3]：

1) 卓越的可設(shè)計性。通過獲取損傷結(jié)構(gòu)的裂紋參數(shù)、載荷類型和實際工況進行設(shè)計方案定制。選擇不同參數(shù)與力學(xué)性能的補片、膠粘劑，定制適用的修復(fù)工藝。采用最優(yōu)化的修復(fù)方案來提高再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力，恢復(fù)構(gòu)件的力學(xué)性能，提升可靠性。

2) 強度高修復(fù)效果好。復(fù)合材料補片力學(xué)性能優(yōu)異，抗拉強度和抗剪切強度高。損傷結(jié)構(gòu)-膠粘劑-復(fù)合材料補片三者為一體的再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)能夠承受更高載荷，延展性能也同時被優(yōu)化。

2) 疲勞性能優(yōu)越。復(fù)合材料補片本身疲勞性能好，疲勞極限較金屬材料更高，可以抵抗多種工況的動載荷和交變疲勞載荷；另外修復(fù)時沒有必要對損傷結(jié)構(gòu)的裂紋設(shè)置止裂孔，避免形成新的應(yīng)力集中，抗疲勞性能較傳統(tǒng)方法得到提高，因此具有更長的工作壽命周期和結(jié)構(gòu)可靠性。

4) 修復(fù)作業(yè)周期短。再制造膠粘修復(fù)所需材料便于攜帶。修復(fù)工藝流程中采用微波固化工藝，占用較短時間進行固化并完成修復(fù)。

5) 表面形狀適應(yīng)性好。復(fù)合材料補片和膠粘劑均為柔性材料，采用二次共固化技術(shù)可以在一定程度上調(diào)整復(fù)合材料的形狀，從容應(yīng)對損傷結(jié)構(gòu)表面的復(fù)雜曲面。

6) 防腐蝕和耐久性強。復(fù)合材料能夠抵抗化學(xué)介質(zhì)的侵入，耐酸堿、抗水、抗油，因此可以抵抗工程機械工作環(huán)境中對再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)的腐蝕，增強耐久性。

7) 修復(fù)后結(jié)構(gòu)增重小。復(fù)合材料補片密度較小，但力學(xué)性能優(yōu)越，有較高的比強度和比剛度。復(fù)合材料補片以更小的尺寸和更輕的質(zhì)量獲得與傳統(tǒng)金屬材料同等的修復(fù)效果。

8) 再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)的“智能監(jiān)測”。復(fù)合材料補片和膠粘劑中加入碳納米管，制成導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性更好的材料。當(dāng)復(fù)合材料補片產(chǎn)生微裂紋時，碳納米管隨之破壞，通過獲取補片導(dǎo)電率的變化信號來監(jiān)測補片的完整性和破壞發(fā)生位置，提取該位置應(yīng)力和應(yīng)變的信息，以此實時監(jiān)控修復(fù)效果，以及時采取措施，提高結(jié)構(gòu)安全性。

3 裂紋形式分析

3.1 斷裂力學(xué)理論

斷裂力學(xué)理論中，損傷結(jié)構(gòu)的缺陷通常被定義為裂紋，裂紋是指具有確定長度2a并且兩端異常尖銳的裂縫。

根據(jù)裂紋承受的載荷與位移的形式，分為3種形式[4-5]，如圖2所示。分別為張開型裂紋KI；剪切型裂紋KII；撕裂型裂紋KIII。

工程實踐中，裂紋的3種形式可單獨出現(xiàn)，同時可組合出現(xiàn)。由于張開型裂紋KI是工程實踐中引起結(jié)構(gòu)失效最為首要的形式，且最為普遍，故成為本文討論的重點。

圖2 裂紋的3種形式

根據(jù)裂紋的幾何形態(tài)分裂，分為3種：穿透型裂紋、表面型裂紋和深埋型裂紋，如圖3所示。

工程實踐中，裂紋很少以穿透型裂紋的形式出現(xiàn)，即便最終形成穿透型裂紋，也必然由非穿透型裂紋擴展而來，因此表面型裂紋最為常見；同時表面型裂紋利用再制造膠粘技術(shù)修復(fù)的效果最明顯，故本文選取半橢圓形的表面裂紋作進一步研究。

圖3 裂紋的3種幾何形態(tài)

3.2 工程機械的裂紋形式

工程機械金屬結(jié)構(gòu)的主要裂紋類型有軋制裂紋、焊接裂紋和疲勞裂紋。常見結(jié)構(gòu)損傷包括裂紋、變形、腐蝕或磨損、連接失效等，其中裂紋所占的比例最高。同時工程機械金屬結(jié)構(gòu)斷裂失效造成的危害極大，其主要受力構(gòu)件如主梁、支腿一旦發(fā)生裂紋與擴展，將會造成起重機承載能力下降，并會導(dǎo)致局部失穩(wěn)甚至整機傾覆造成重大事故。圖4和圖5所示分別為液壓挖掘機和塔式起重機中部分裂紋形式的實際案例。

圖4 液壓挖掘機斗桿部位裂紋

圖5 塔式起重機中的裂紋

4 建模分析

4.1 幾何建模

損傷結(jié)構(gòu)材料為Q235B，尺寸為：200mm×100mm×10mm；含有中心表面裂紋，長度為2a，深度為b；采用3種復(fù)合材料補片，分別是硼/環(huán)氧樹脂、碳/環(huán)氧樹脂和玻璃纖維，尺寸為：60mm×60mm×3mm；選用環(huán)氧結(jié)構(gòu)的膠粘劑FM73，尺寸為：60mm×60mm×1mm。

圖6所示膠粘修復(fù)結(jié)構(gòu)示意圖，金屬裂紋母板兩端施加100MPa均勻的拉伸載荷；表1所示為上述材料的材料力學(xué)性能列表。

圖6 膠粘修復(fù)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 有限元模型

嚴格來說，工程實踐中的裂紋普遍是三維裂紋，建立三維裂紋的有限元模型來計算工程實踐中復(fù)雜結(jié)構(gòu)裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，是更接近實際的一種方法。如今的斷裂力學(xué)理論也逐漸偏向研究三維裂紋，但由于三維裂紋的參數(shù)定義更為復(fù)雜，計算成本更高，所以對于三維裂紋的研究在豐富程度和理論深度上仍然低于二維裂紋的研究。

表1 材料屬性 GPa

本文應(yīng)用ANSYSWorkbench全新的斷裂力學(xué)有限元計算模塊，建立在損傷結(jié)構(gòu)一端施加固定約束，另一端施加大小為100MPa方向背離損傷結(jié)構(gòu)的均布拉伸載荷的情況下，含有中心表面裂紋損傷結(jié)構(gòu)的再制造膠粘修復(fù)有限元模型，并利用位移外推法求解裂紋尖端的應(yīng)力強度因子K。

4.3 應(yīng)力強度因子計算及修復(fù)效果表征

應(yīng)力強度因子K是關(guān)于結(jié)構(gòu)幾何、裂紋尺寸和外加載荷的函數(shù)，K表征裂紋尖端受到的載荷及變形的情況，能夠有效表示裂紋擴展的趨勢與裂紋擴展的動力。因此本文著重研究結(jié)構(gòu)損傷的尖端應(yīng)力強度因子，并以此量化修復(fù)效果。

(1)

式中：K為張開型裂紋的應(yīng)力強度因子，單位為：N·m-3/2或MPa·mm1/2；Y為無量綱參數(shù)形狀系數(shù)，與裂紋的相對位置、形狀和加載方式有關(guān)(取值通常為1～2)；σ為名義應(yīng)力(裂紋處不考慮裂紋影響時的應(yīng)力)，單位為MPa；a為裂紋半長，單位為mm。

為了直觀表征修復(fù)效果，引入無量綱參數(shù)R描述再制造膠粘修復(fù)效果。

(2)

式中：Kr為再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)中裂紋尖端應(yīng)力強度因子；Ku為未修復(fù)結(jié)構(gòu)中裂紋尖端應(yīng)力強度因子；R為再制造膠粘修復(fù)后應(yīng)力強度因子下降率，R數(shù)值越大，對表面裂紋的修復(fù)效果越好。

5 補片材料對表面裂紋修復(fù)效果影響

討論復(fù)合材料補片種類的不同對修復(fù)效果的作用，分別采用硼/環(huán)氧樹脂、碳/環(huán)氧樹脂和玻璃纖維材料的補片對損傷結(jié)構(gòu)進行再制造膠粘修復(fù)。圖7給出復(fù)合材料補片種類對修復(fù)效果的作用，圖8所示為補片種類作為變量時裂紋尖端半橢圓中心角α為0°和90°處對應(yīng)的修復(fù)效果。

圖7 復(fù)合材料補片種類對修復(fù)效果的作用

圖8 復(fù)合材料補片不同時，α為0°和 90°處對應(yīng)的修復(fù)效果

圖7描述了采用不同材料補片的再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度因子下降率R對應(yīng)裂紋尖端半橢圓上各節(jié)點的分布。R隨裂紋尖端半橢圓中心角α變大而降低，即R隨裂紋深度加深而降低。因此，可以說修復(fù)作用對于最接近損傷結(jié)構(gòu)表面處的裂紋尖端最為明顯；隨著裂紋尖端深度增加，修復(fù)效果呈遞減趨勢。

由圖8可知，硼/環(huán)氧樹脂補片對表面裂紋的修復(fù)效果更優(yōu)越，分別高于碳/環(huán)氧樹脂和玻璃纖維3%和5%左右。同時，硼/環(huán)氧樹脂修復(fù)效果的優(yōu)勢在最接近損傷結(jié)構(gòu)表面的裂紋尖端處更為顯著。其中的原因是硼/環(huán)氧樹脂材料有更好的力學(xué)性能，彈性模量和剪切模量更高，有能力承受更多有膠層傳遞的載荷。在國外，此種材料的補片也在飛機金屬結(jié)構(gòu)的修復(fù)中扮演重要角色[6]。

6 結(jié)語

利用再制造膠粘修復(fù)技術(shù)對工程機械中含有表面疲勞裂紋的損傷結(jié)構(gòu)進行再制造修復(fù)的方法。并采用有限元方法分析得到補片材料對表面裂紋修復(fù)效果的影響，建立損傷結(jié)構(gòu)-膠粘劑-復(fù)合材料補片三者為一體的再制造修復(fù)模型，運用有限元分析方法，引入應(yīng)力強度因子下降率R的概念，對再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)進行修復(fù)效果評價。

再制造技術(shù)在工程機械領(lǐng)域?qū)⒂休^好發(fā)展，值得在實踐中進行推廣運用。

試驗證明選用硼/環(huán)氧樹脂作為補片材料能夠獲得最佳的修復(fù)效果的結(jié)論，為工程機械再制造實踐提供理論指導(dǎo)。