一种复合材料典型缺陷及修理试验方法与流程

1.本技术属于复合材料结构技术领域，尤其涉及一种复合材料典型缺陷及修理试验方法。


背景技术：

2.随着复合材料技术的发展，直升机机体结构使用复合材料的占比越来越高，复合材料结构形式包括层压结构和蜂窝夹层结构。根据以往使用经验，层压结构分层和蜂窝夹层结构脱粘是两种典型且发生率较高的故障。层压结构分层指的是层压结构中层与层之间的剥离现象，蜂窝夹层结构脱粘指的是蜂窝和面板之间的剥离现象。
3.由于层压结构分层、蜂窝夹层结构脱粘都严重影响复合材料结构承载能力，并可能发生分层损伤扩展现象。
4.现有的修理方式，仅确定修理手段是有效的，缺乏修理缺陷前后强度依据，无法对损伤修理强度进行定量分析。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本技术提供了一种复合材料典型缺陷及修理试验方法，所述方法包括：
6.制作完好试验件；
7.制作含缺陷试验件；
8.制作修理后试验件；
9.基于所述完好试验件对所述含缺陷试验件和修理后试验件进行力学性能分析。
10.优选地，所述制作完好试验件，包括：
11.制作层压结构完好试验件和制作蜂窝夹层结构完好试验件；
12.层压结构完好试验件包括层压结构和加强件；其中，层压结构材料为5224/cf3052/39，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布；
13.其中，蜂窝夹层结构完好试验件包括蜂窝芯材、上表面完好结构、下表面完好结构和封边填料，蜂窝芯材材料为nh-1-1.83-48-δ20、上表面完好结构材料为5224/cf3052/39，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，下表面完好结构铺层与下表面完好结构铺层对称。
14.优选地，通过层压结构试验件夹持区布置加强件，蜂窝夹层结构试验件夹持区填充封边填料，增加试验件加持区域支撑刚度。
15.优选地，所述制作含缺陷试验件，包括：
16.层压结构缺陷试验件和蜂窝夹层结构缺陷试验件；
17.层压结构缺陷试验件包括层压结构、缺陷铺层和加强件；其中，缺陷铺层为两层特氟龙薄膜；
18.其中，蜂窝夹层结构缺陷试验件包括蜂窝芯材、上表面完好结构、下表面完好结构、封边填料和缺陷铺层；
19.优选地，通过在不同铺层之间铺设特氟龙薄膜，模拟出不同缺陷位置，通过调整特氟龙薄膜尺寸，模拟不同缺陷尺寸。
20.优选地，所述制作修理后试验件，包括：层压结构修理试验件和蜂窝夹层结构修理试验件；
21.其中，层压结构修理试验件包括层压待修理结构、胶膜、修理铺层和加强件，层压待修理结构材料为5224/cf3052/39，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，在预设分层处阶梯铺层，每层之间阶梯量15mm，胶膜铺设在层压待修理结构上，修理铺层铺设在胶膜上，所用材料与层压待修理结构材料相同，铺层角度与原铺层相同，每层之间阶搭接量15mm；
22.其中，蜂窝夹层结构修理试验件包括待修理蜂窝芯材、上表面待修理结构、下表面完好结构、17#填料、胶膜、修理铺层和封边填料。上表面待修理铺层结构材料为5224/cf3052/39，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，17#填料填充在待修理区域，胶膜铺设在上表面待修理结构上，修理铺层铺设在胶膜上，所用材料与上表面待修理结构材料相同，铺层角度与原铺层相同，每层之间阶搭接量15mm。
23.优选地，在待修理结构上表面铺一层胶膜，用来粘接待修理结构与修理铺层，保证铺层之间的粘接强度。
24.优选地，基于所述完好试验件对所述含缺陷试验件和修理后试验件进行力学性能分析，包括：
25.分别对完好试验件、含缺陷试验件和修理后试验件进行压缩性能试验，并对生成的载荷-应变曲线进行分析，对比三种类型试验件的临界失稳应力和最终破坏强度，探索典型缺陷对复合材料力学性能的影响，进行缺陷影响和修理效果的定量分析。
26.本技术的有益技术效果：
27.通过合理设计试验件铺层，可以控制产生缺陷大小和位置，最大限度模拟分层和脱粘两种复合材料成型及使用过程中产生的典型故障，进而可以通过强度试验探索典型缺陷对复合材料力学性能的影响，进行缺陷影响和修理效果的定量分析。
28.通过采用控制变量法可以对比单一故障参数对试验件力学性能的影响。当缺陷面积一致时，可以对完好试验件、含缺陷试验件和修理后试验件三种类型试验件两两对比；当采取同一种处理措施时，可以考察缺陷大小对试验件力学性能的影响。
附图说明
29.图1为本技术实施例提供的层压结构完好试验件的结构示意图；
30.图2为本技术实施例提供的层压结构完好试验件典型铺层的结构示意图；
31.图3为本技术实施例提供的蜂窝夹层结构完好试验件的结构示意图；
32.图4为本技术实施例提供的蜂窝夹层结构完好试验件典型铺层的结构示意图；
33.图5为本技术实施例提供的层压结构缺陷试验件的结构示意图；
34.图6为本技术实施例提供的层压结构缺陷试验件典型铺层的结构示意图；
35.图7为本技术实施例提供的蜂窝夹层结构缺陷试验件的结构示意图；
36.图8为本技术实施例提供的蜂窝夹层结构缺陷试验件典型铺层的结构示意图；
37.图9为本技术实施例提供的层压结构修理试验件典型铺层的结构示意图；
38.图10为本技术实施例提供的蜂窝夹层结构修理试验件典型铺层的结构示意图；
39.其中，1-层压结构；2-加强件；3-蜂窝芯材；4-上表面完好结构；5-下表面完好结构；6-封边填料；7-缺陷铺层；8-层压待修理结构；9-胶膜；10-修理铺层；11-待修理蜂窝芯材；12-上表面待修理结构；13-17#填料。
具体实施方式
40.需要说明的是，按照本技术典型缺陷试及修理试验方法，通过对层压结构和蜂窝夹层结构的设计，人为模拟出含缺陷和修理后的复合材料试验件，并设计不同缺陷尺寸和缺陷位置，以压缩强度试验为例，对比完好试验件、含缺陷试验件、修理后试验件三种状态强度值，探索典型缺陷及修理对复合材料结构的力学性能影响。
41.请参阅图1-10，在本技术实施例中，本技术包括层压结构和蜂窝夹层结构两种结构形式；
42.层压结构完好试验件包括层压结构和加强件；其中，层压结构材料为5224/cf3052/39，铺层共12层，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布；为增加试验件加持区域支撑刚度，在试验件两端的上下两表面分别粘接加强件进行局部加强。
43.其中，层压结构缺陷试验件包括层压结构、缺陷铺层和加强件。其中，缺陷铺层为两层特氟龙薄膜，通过在不同铺层之间铺设特氟龙薄膜，模拟出不同缺陷位置，通过调整特氟龙薄膜尺寸，模拟不同缺陷尺寸；
44.其中，层压结构修理试验件包括层压待修理结构、胶膜、修理铺层和加强件，层压待修理结构材料为5224/cf3052/39，铺层共n层，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，在预设分层处阶梯铺层，每层之间阶梯量15mm，胶膜铺设在层压待修理结构上，修理铺层铺设在胶膜上，所用材料与层压待修理结构材料相同，铺层角度与原铺层相同，每层之间阶搭接量15mm；
45.在一种可行的实现方式中，本技术设计不同缺陷位置、缺陷大小以及相应修理的试验件，1-3号试验件对比缺陷尺寸的影响，1号和4号试验件、2号和5号试验件、3号和6号试验件对比缺陷位置的影响，如表1所示。
46.表1
47.编号完整铺层分层缺陷位置缺陷尺寸/mm1[45
°
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°
]
3s
1/6厚度φ20mm2[45
°
/0
°
]
3s
1/6厚度φ40mm3[45
°
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]
3s
1/6厚度φ80mm4[45
°
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°
]
3s
1/3厚度φ20mm5[45
°
/0
°
]
3s
1/3厚度φ40mm6[45
°
/0
°
]
3s
1/3厚度φ80mm
[0048]
其中，蜂窝夹层结构完好试验件包括蜂窝芯材、上表面完好结构、下表面完好结构和封边填料，蜂窝芯材材料为nh-1-1.83-48-δ20、上表面完好结构材料为5224/cf3052/39，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，上表面完好结构与下表面完好结构对称；为增加试验件夹持区域支撑刚度，在试验件两端使用封边填料进行封边。
[0049]
其中，蜂窝夹层结构缺陷试验件包括蜂窝芯材、上表面完好结构、下表面完好结构、封边填料和缺陷铺层；蜂窝夹层结构修理试验件包括待修理蜂窝芯材、上表面待修理结
构、下表面完好结构、17#填料、胶膜、修理铺层和封边填料。上表面待修理铺层结构材料为5224/cf3052/39，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，17#填料填充在待修理区域，胶膜铺设在上表面待修理结构上，修理铺层铺设在胶膜上，所用材料与上表面待修理结构材料相同，铺层角度与原铺层相同，每层之间阶搭接量15mm。
[0050]
在一种可行的实现方式中，本技术设计不同缺陷位置、缺陷大小以及相应修理的试验件，7-9号试验件对比缺陷尺寸的影响，7号和10号试验件、8号和11号试验件、9号和12号试验件对比缺陷位置的影响，如表2所示。
[0051]
表2(注n为蜂窝芯材)
[0052]
编号完整铺层缺陷尺寸/mm7[45
°
/0
°
/45
°
/n]sφ20mm8[45
°
/0
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/45
°
/n]sφ40mm9[45
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°
/45
°
/n]sφ80mm10[45
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/0
°
/45
°
/0
°
/45
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/0
°
/n]sφ20mm11[45
°
/0
°
/45
°
/0
°
/45
°
/0
°
/n]sφ40mm12[45
°
/0
°
/45
°
/0
°
/45
°
/0
°
/n]sφ80mm
[0053]
需要注意的是：
[0054]
1)通过在层压结构试验件夹持区布置加强件，在蜂窝夹层结构试验件夹持区填充封边填料，增加试验件夹持区支撑刚度；
[0055]
(2)通过在铺层与铺层之间铺设两层特氟龙薄膜，模拟层压结构铺层与铺层之间分层；在蜂窝芯材与上表面结构之间铺设两层特氟龙薄膜来模拟蜂窝夹层结构脱粘缺陷；
[0056]
(3)通过在不同铺层之间铺设特氟龙薄膜，模拟出不同缺陷位置，通过调整特氟龙薄膜尺寸，模拟不同缺陷尺寸；
[0057]
(4)在待修理结构上表面铺一层胶膜，用来粘接待修理结构与修理铺层，保证铺层之间的粘接强度；
[0058]
(5)依次铺n层修理铺层，每层之间搭接15mm，并且铺层角度与原铺层相同，具有统一修理标准，修理后试验件试验结果可靠；
[0059]
(6)通过设计完好试验件、含缺陷试验件和修理后试验件三种类型试验件，可以通过强度试验探索典型缺陷和修理对复合材料结构力学性能的影响。
[0060]
本技术所述试验件设计有以下优点：
[0061]
①
通过合理设计试验件铺层，可以人为控制产生缺陷大小和位置，最大限度模拟分层和脱粘两种复合材料成型及使用过程中产生的典型故障，进而可以通过强度试验探索典型缺陷对复合材料力学性能的影响，进行缺陷影响和修理效果的定量分析。
[0062]
②
通过采用控制变量法可以对比单一故障参数对试验件力学性能的影响。当缺陷面积一致时，可以对完好试验件、含缺陷试验件和修理后试验件三种类型试验件两两对比。当采取同一种处理措施时，可以考察缺陷大小对试验件力学性能的影响。
[0063]
在本技术其他实施例中，层压结构完好试验件包括层压结构1和加强件2，如图1所示。其中层压结构1材料为5224/cf3052/39，铺层共12层，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，铺层示意图如图2所示。
[0064]
在本技术其他实施例中，蜂窝夹层结构完好试验件包括蜂窝芯材3、上表面完好结
构4、下表面完好结构5和封边填料6，蜂窝芯材3材料为nh-1-1.83-48-δ20、上表面完好铺层4材料为5224/cf3052/39，铺层共3层，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，上表面完好结构5与下表面完好结构4对称，铺层示意图如图4所示。
[0065]
在本技术其他实施例中，层压结构缺陷试验件包括层压结构1、缺陷铺层7和加强件2；其中，缺陷铺层7为两层特氟龙薄膜。
[0066]
在本技术其他实施例中，蜂窝夹层结构缺陷试验件包括蜂窝芯材3、上表面完好结构4、下表面完好结构5、封边填料6和缺陷铺层7，其中缺陷铺层7为两层特氟龙薄膜，铺层示意图如图8所示。
[0067]
在本技术其他实施例中，层压结构修理试验件包括层压待修理结构8、胶膜9、修理铺层10和加强件2，层压待修理结构8材料为5224/cf3052/39，铺层共12层，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，在预设分层处阶梯铺层，每层之间阶梯量15mm，胶膜9铺设在层压待修理结构8上，修理铺层10铺设在胶膜9上，所用材料与层压待修理结构8材料相同，铺层角度与原铺层相同，每层之间阶搭接量15mm；如图9所示。
[0068]
在本技术其他实施例中，蜂窝夹层结构修理试验件包括待修理蜂窝芯材11、上表面待修理结构12、下表面完好结构5、17#填料13、胶膜9、修理铺层10和封边填料6。上表面待修理铺层结构12材料为5224/cf3052/39，铺层共3层，铺层方式为45
°
/0
°
交错排布，17#填料13填充在待修理区域，胶膜9铺设在上表面待修理结构12上，修理铺层10铺设在胶膜9上，所用材料与上表面待修理结构12材料相同，铺层角度与原铺层相同，每层之间阶搭接量15mm，铺层如图10所示。