復(fù)合材料單面修補(bǔ)鋁合金裂紋板的疲勞破壞特性

利用ansys有限元分析軟件,建立了復(fù)合材料單面膠接修復(fù)鋁合金裂紋板的裂紋長度參數(shù)化的有限元模型,分析了修復(fù)結(jié)構(gòu)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及其變化幅值的規(guī)律;與試驗(yàn)測試結(jié)果相結(jié)合,得到了描述修復(fù)結(jié)構(gòu)疲勞特性的paris公式材料常數(shù);碳纖維、玻璃纖維復(fù)合材料膠接修復(fù)鋁合金裂紋板的材料常數(shù)c、m分別為6.76×10-10、2.27和7.89×10-10、2.33。

近年來,采用frp修復(fù)受損鋁合金構(gòu)件的研究已受到了廣泛關(guān)注并取得了一定的進(jìn)展。對復(fù)合材料修復(fù)鋁合金裂紋板的試驗(yàn)研究,包括不同膠接長度、不同表面處理和不同剛度比等因素對其疲勞性能的影響規(guī)律,以及有限元方法預(yù)測疲勞性能進(jìn)行了綜述與分析;對試驗(yàn)結(jié)果與有限元預(yù)測的疲勞壽命進(jìn)行了比較;并展望了今后的研究趨勢。

采用碳纖維復(fù)合材料對中心裂紋鋁合金板進(jìn)行了單面膠接修復(fù),測試了修復(fù)結(jié)構(gòu)的疲勞性能,包括鋁合金板的裂紋擴(kuò)展速率、補(bǔ)片與鋁合金板之間的界面脫粘和修復(fù)結(jié)構(gòu)的疲勞剩余強(qiáng)度。結(jié)果表明:復(fù)合材料膠接修復(fù)能有效地降低鋁合金板的裂紋擴(kuò)展速率,提高其疲勞壽命;膠接的補(bǔ)片使鋁合金板的疲勞裂紋擴(kuò)展紋線線型發(fā)生變化,且線型變化集中在裂紋擴(kuò)展初始階段;疲勞導(dǎo)致修復(fù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)界面脫粘,脫粘區(qū)域近似橢圓形,且界面脫粘面積隨疲勞周次的增加而增加。

采用真空袋壓技術(shù)將t300/cyd128復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修復(fù)于含中心裂紋的鋁合金1.76mm薄板。研究了實(shí)驗(yàn)室模擬濕熱環(huán)境對復(fù)合材料修復(fù)鋁合金薄板的力學(xué)性能影響,修復(fù)用復(fù)合材料的吸濕特性,以及修復(fù)用復(fù)合材料拉伸試樣及其基體樹脂澆鑄體的濕熱性能。結(jié)果顯示,澆鑄體飽和吸水率為0.9%,復(fù)合材料吸濕動力學(xué)曲線則出現(xiàn)臺階;隨濕熱老化時間延長,澆鑄體與復(fù)合材料拉伸性能先升后降,其性能峰值出現(xiàn)時間分別為500h(73.9mpa)和300h(1531mpa);隨濕熱老化時間延長,鋁合金裂紋板拉伸性能基本呈線性下降,斷裂載荷下降速率δn=0.12kn/100h,修復(fù)板性能出現(xiàn)波動。

采用單向硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片真空袋壓工藝單面修復(fù)不同厚度含中心裂紋鋁合金板,測試了修復(fù)試件的熱學(xué)及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能,并采用三維有限元模型分析了修復(fù)試件的殘余熱應(yīng)變和應(yīng)力強(qiáng)度因子。結(jié)果表明:修復(fù)試件的彎曲撓度隨鋁合金板厚度增大而減小;修復(fù)試件鋁合金板下表面裂紋尖端附近的殘余熱應(yīng)變隨鋁合金板厚度增大而增大,補(bǔ)片上表面的殘余熱應(yīng)變則隨鋁合金板厚度增大而減小,這與有限元分析結(jié)果吻合較好。含中心裂紋鋁合金板的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨鋁合金板厚度增大而減小,而單面修復(fù)試件的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨鋁合金板厚度增大而增大。采用相同長度和寬度的單向硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片單面修復(fù)后,鋁合金板厚度為1.76mm修復(fù)試件的承載能力保留率為93.85%,而厚度為10.20mm修復(fù)試件的只有84.01%;修復(fù)試件的剛度得到了完全恢復(fù),等效剛度均大于完好試件的剛度。

采用加壓鑄造法來制備硅酸鋁短纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料,并通過與zl109合金的對比試驗(yàn),研究高溫下材料的沖擊疲勞特性。結(jié)果表明:在本試驗(yàn)條件下硅酸鋁短纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的高溫沖擊疲勞性能不如zl109合金,但是隨試驗(yàn)溫度的提高,zl109合金的抗沖擊疲勞能力下降的速率比硅酸鋁短纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的快

采用聲發(fā)射技術(shù)對單向拉伸載荷作用下復(fù)合材料單搭接膠接頭的剪切破壞試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的方法,研究搭接長度對單搭接膠接頭損傷破壞的影響規(guī)律及其相應(yīng)的聲發(fā)射響應(yīng)特征。結(jié)果表明,隨搭接長度的增加,引起單搭接膠接頭的受力不均勻性增加,損傷易發(fā)生在膠層邊緣應(yīng)力集中區(qū)域,膠接頭承載能力不斷上升的同時,平均剪切應(yīng)力逐漸降低;膠層邊緣應(yīng)力集中更明顯,從而出現(xiàn)較多的聲發(fā)射信號,且幅度在60~80db的聲發(fā)射信號明顯增多,聲發(fā)射撞擊累積數(shù)有上升趨勢。聲發(fā)射相對能量、幅度分布等聲發(fā)射信號與膠層的損傷破壞過程相對應(yīng)。

用復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修理金屬結(jié)構(gòu)裂紋損傷時,修補(bǔ)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵,不同的修補(bǔ)設(shè)計(jì)會產(chǎn)生不同的修補(bǔ)效果。通常應(yīng)在有限元計(jì)算或解析計(jì)算的基礎(chǔ)上,合理選擇補(bǔ)強(qiáng)材料、膠粘劑、鋪層尺寸和鋪層數(shù)量等參數(shù)。飛機(jī)鋁合金蒙皮裂紋是飛機(jī)在使用過程中最常見的損傷形式。傳統(tǒng)的修理方法是在裂紋部位鉚接一塊與蒙皮材料相同的加強(qiáng)片,以恢復(fù)蒙皮裂紋部位的損失強(qiáng)度。由于現(xiàn)代飛機(jī)的

采用微波快速固化膠粘劑的方法通過實(shí)驗(yàn)對鋁合金材料的裂紋進(jìn)行了修復(fù),研究了修復(fù)工藝,并采用數(shù)學(xué)和有限元分析的方法分析了含裂紋的鋁合金板材修復(fù)前后的力學(xué)性能變化情況,同時對比了其他方式的修復(fù)后強(qiáng)度,觀察了修復(fù)效果,結(jié)果表明:修復(fù)后鋁合金材料的雙向拉伸性能可恢復(fù)到原材料的95%以上,靜強(qiáng)度可恢復(fù)到原材料的102.9%.

建立了碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)雙向受載裂紋板的3d有限元模型,分析了補(bǔ)片的單面膠接修補(bǔ)效果,探討了補(bǔ)片材料、鋪層順序、補(bǔ)片長度及載荷比等對裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。結(jié)果表明:復(fù)合材料補(bǔ)片的存在使裂紋板垂直裂紋方向載荷和平行裂紋板方向載荷發(fā)生耦合作用,從而影響補(bǔ)片修補(bǔ)效果。平行裂紋方向的壓應(yīng)力可降低裂紋尖端的應(yīng)力集中因子,而拉應(yīng)力可提高裂紋尖端的應(yīng)力集中因子。

歐洲專利ep1554409本專利提供了一種以鋁合金為基體，以碳化硼為分散相的金屬基復(fù)合材料的制備工藝。首先，將鋁合金熔化，然后，通過充分?jǐn)嚢枋固蓟鹆Ｗ痈玫貪櫇皲X液，并均勻分布在鋁液中，之后，便可進(jìn)行澆注。為了保證該金屬混合液具有較好的流動性，可采取如下方法之一：將基體中的鎂含量控制在0．2％以下，或首先將鋁合金中鎂的含量控制在0．2％以下，澆注時再加鎂，或是加入〉0．12％鈦。

歐洲專利ep1554409本專利提供了一種以鋁合金為基體,以碳化硼為分散相的金屬基復(fù)合材料的制備工藝。首先,將鋁合金熔化,然后,通過充分?jǐn)嚢枋固蓟鹆Ｗ痈玫貪櫇皲X液,并均勻分布在鋁液中,之后,便可進(jìn)行澆注。為了保證該金屬混合液具有較

在沒有任何損傷的鋁合金薄板中,主要表現(xiàn)為原子間的非線性,以至于非線性聲學(xué)特征不明顯并很難測量;然而當(dāng)鋁合金薄板中出現(xiàn)疲勞損傷時,將產(chǎn)生明顯的非線性聲學(xué)特征,這對于識別鋁合金薄板中的疲勞損傷十分有利。推導(dǎo)超聲波在含有疲勞裂紋的固體金屬中傳播時非線性聲學(xué)特征方程。利用非接觸激光測振儀、任意波形發(fā)生器、數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)等組建鋁合金薄板疲勞裂紋試驗(yàn)系統(tǒng),并以含有疲勞裂紋的2024鋁合金薄板為研究對象,利用該系統(tǒng),在單頻超聲波即中心頻率為270khz激勵下,對超聲波在2024鋁合金薄板中傳播的非線性聲學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,高次諧波可作為表征疲勞裂紋或缺陷的特征量。根據(jù)不同點(diǎn)的掃描結(jié)果,獲得時域峰值幅度和頻率幅度與掃描位置之間的關(guān)系,由此可大致確定疲勞裂紋的位置。

采用單向碳/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片真空袋壓工藝單面修復(fù)含中心裂紋鋁合金板,進(jìn)行0-1700h鹽霧梯度腐蝕試驗(yàn),測試并對比分析了各腐蝕時間結(jié)點(diǎn)上試件修復(fù)前后的疲勞性能,從疲勞壽命、疲勞臨界裂紋長度和paris公式材料常數(shù)(c和m)的變化三個方面考察不同鹽霧腐蝕深度對鋁合金裂紋板修復(fù)前后的疲勞性能差異。結(jié)果表明:碳/環(huán)氧補(bǔ)片膠接修復(fù)鋁合金板能大幅度提高疲勞壽命,且未經(jīng)修復(fù)的裂紋板在腐蝕1700小時后疲勞壽命下降53.8%,而修復(fù)板僅為38.6%。修復(fù)板疲勞裂紋臨界長度acr大于未修復(fù)裂紋板,且隨鹽霧腐蝕時間延長,裂紋板和修復(fù)板acr變化不大,可作準(zhǔn)判據(jù)使用。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的不同腐蝕時間上試樣的材料常數(shù)c和m隨腐蝕時間延長而減小。利用paris公式可較好擬合鋁合金板疲勞壽命及paris區(qū)內(nèi)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,但疲勞壽命預(yù)測值與實(shí)際值的差異由未經(jīng)腐蝕時的5%左右增大到腐蝕1500h時的10%左右。

腐蝕疲勞是一種由疲勞應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同引起的材料損傷，利用掃描電子顯微鏡原位觀測技術(shù)對于預(yù)腐蝕ld10cz鋁合金進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明腐蝕損傷強(qiáng)烈影響鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。

以粉末冶金鋁合金及復(fù)合材料的制備流程為主線,圍繞粉體制備、成形固結(jié)和后續(xù)處理這三個環(huán)節(jié),闡述了粉末冶金鋁合金及復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀.同時對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討,指出以高速壓制為代表的新成形技術(shù)的出現(xiàn),有望為鋁粉末冶金的成形及燒結(jié)環(huán)節(jié)帶來新的突破.

復(fù)合材料補(bǔ)片膠接技術(shù)是一種有效修復(fù)飛機(jī)受損鋁合金構(gòu)件的低成本方法。補(bǔ)片與鋁合金材料熱膨脹系數(shù)的顯著差異,會在構(gòu)件中引入殘余熱應(yīng)力,對構(gòu)件性能造成不利影響。文中采用單向碳/環(huán)氧復(fù)合材料補(bǔ)片對航空鋁合金ly12cz薄板進(jìn)行單面補(bǔ)強(qiáng),并通過確定應(yīng)力釋放溫度測量了鋁板及補(bǔ)片上的殘余熱應(yīng)變。結(jié)果表明,對完好鋁板而言,鋁板和補(bǔ)片的殘余熱應(yīng)變可分別達(dá)到-488με和285με;對于含中心裂紋鋁板而言,裂紋長度對于殘余熱應(yīng)變的影響較小。采用經(jīng)典層合板理論和雙金屬片模型分別預(yù)測了復(fù)合材料補(bǔ)片及鋁合金板在膠接面上的殘余熱應(yīng)力。經(jīng)典層合板理論對補(bǔ)片和完好鋁板殘余熱應(yīng)力的預(yù)測值分別為-79.8mpa和50.8mpa;雙金屬片模型的計(jì)算值偏大,分別為-98.4mpa和64.6mpa。

主要研究帶鈦合金連接頭硼／鋁復(fù)合材料管構(gòu)件中ｂ－ａｌ－ｔｉ間的界面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，研究表明，在復(fù)合工藝條件下，硼－鋁界面附近沒有檢測到任何鋁－硼化合物，而鈦－鋁間形成ｔｉａｌ有序金屬間化合物相，實(shí)驗(yàn)證明，硼／鋁復(fù)合材料與鋁合金端環(huán)之間采用的固結(jié)方法是有效的，且可按照受載類型隨意調(diào)整斜面搭接長度，達(dá)到承受不同載荷的目的。

采用壁板顫振分析的有限元方法,從壁板的正則化彎曲剛度、屈曲臨界溫升、顫振臨界速壓和極限環(huán)顫振幅值等參數(shù)的角度,分析了不同鋪層方向和不同鋪層順序?qū)雍蠌?fù)合材料壁板的顫振特性的影響,并給出了幾種常見鋪層方式層合復(fù)合材料壁板的顫振特性。結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)復(fù)合材料壁板的鋪層方向和鋪層順序時,一般可以通過壁板正則化彎曲剛度的大小來對顫振速壓進(jìn)行比較。但是在某些特殊的鋪層情況下,隨著溫度升高,發(fā)生頻率重合型顫振的耦合模態(tài)會發(fā)生演變,這時正則化彎曲剛度較大的壁板也有可能在較低的速壓下發(fā)生顫振。

考慮細(xì)觀狀態(tài)下纖維與基體的基本特性,采用文的基本假定和分析方法,本文計(jì)算了玻璃/環(huán)氧實(shí)心纖維及空心纖維單向板在宏觀荷截下的破壞曲面.一般來講,單向板縱向受拉時主要是由纖維承受截荷,此外,環(huán)氧樹脂基體具有不等的拉壓彈性極限.因此,本文考慮不同應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)采用不同的極限強(qiáng)度值進(jìn)行細(xì)觀校核,認(rèn)為受縱向拉伸截荷時考慮纖維的破壞;而受縱向壓縮截荷時考慮基體的壓縮破壞;受橫向拉壓截荷時考慮基體的拉壓破壞.由此計(jì)算得到了實(shí)心纖維與空心纖維單向板在纖維體積含量不同時破壞曲線的變化趨勢.

美國專利us201414898422本發(fā)明涉及一種在高溫下具有了改善力學(xué)性能的鋁合金,以及采用這種鋁合金為基體的b4c顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料和其它類型的復(fù)合材料。此鋁合金成分包括（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）：0.50~1.30si、0.20~0.60fe、cu≤0.15、0.5~0.90mn、0.6~1.0mg、cr≤0.20,其余為鋁和不可避免的雜質(zhì)。該合金可包括過量的mg,即超過0.6~1.0,主要以mg-si析出物存在。

由于腐蝕坑不同位置的應(yīng)力狀態(tài)的差異,由腐蝕坑萌生的裂紋擴(kuò)展行為僅僅用應(yīng)力強(qiáng)度因子分析無法得到準(zhǔn)確預(yù)測?？紤]裂紋閉合效應(yīng)的存在,本工作對于這種裂紋的應(yīng)力場進(jìn)行了分析,研究了其幾何尺寸在裂紋擴(kuò)展過程中的變化,理論分析表明這種幾何形狀的變化與材料形狀以及應(yīng)力范圍的大小關(guān)系不大。對于裂紋擴(kuò)展的幾何形狀變化的驗(yàn)證性試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與理論分析的結(jié)果吻合程度良好。