金属蒙皮破孔结构胶铆混合修理的疲劳性能研究

2022-06-24张腾喻健乔石何宇廷陈桂勇

航空工程进展 2022年3期

关键词：蒙皮铆钉混合

张腾，喻健，，乔石，何宇廷，陈桂勇

（1.空军工程大学航空工程学院，西安 710038）

（2.中国人民解放军94795部队，南通 226500）

（3.空军装备部装备保障大队，北京 100843）

0 引言

蒙皮破孔损伤是常见的战伤形式之一，将导致飞机气动性能和连接强度下降，影响飞机安全使用，应对其进行抢修。蒙皮破孔修理根据破孔大小、蒙皮材料和受力情况的不同，通常有工艺堵盖法、聚氨酯泡沫填充法和补片法等。其中，工艺堵盖法和聚氨酯泡沫填充法由于只能恢复损伤蒙皮的气动外形，而不能恢复蒙皮的结构强度，因此主要应用于非主要承力部位的小破孔修理。对于小曲度的单板蒙皮破孔结构，通常在对破孔进行修整之后，采用补片法进行修理，从而在保证气动外形的同时提高连接强度。目前，针对蒙皮破孔结构的补片修理连接方式主要有胶接法和铆接法。其中，由于拉铆与压铆相比可以进行单侧施工，效率更高，在战伤抢修中应用更广。

从飞机结构作战完整性的角度分析，胶接修理能够较好地恢复战伤结构承载能力和耐久性水平，但胶接的固化过程需要时间较长，影响飞机的战时快速出动水平；并且胶接失效会导致结构连接强度迅速降低，结构安全风险高，在飞机结构战伤抢修中受限。拉铆修理的施工过程较快，但拉铆钉的抗剪能力较弱，铆钉孔处存在较大的应力集中，对战伤结构承载能力和耐久性水平的恢复效果有限。根据飞机作战完整性的“木桶效应”特点，单纯的胶接修理和铆接修理均对飞机结构作战完整性水平恢复有限，需要克服其不足。

针对胶接或铆接连接方式的不足，有研究者提出在机械连接（螺接、铆接）中加入胶层的方式进行混合连接，并针对飞机结构装配、含损伤结构修理等应用场景进行研究。研究结果表明，胶铆混合连接接头的应力分布均匀，相比铆接方式降低了接头孔边应力集中水平，且铆钉的存在使胶层所受剥离力与剪切力明显削弱，综合力学性能显著提升。

目前的胶铆连接工艺研究主要是针对完好结构的装配或者是带裂纹结构的修理，国内外研究者针对破孔结构的胶铆混合修理方式鲜有研究。

因此，本文针对蒙皮破孔结构胶铆混合连接修理进行研究，并进行铆接、胶接修理方式的对比，开展疲劳试验与有限元仿真分析，分析修理结构的应力分布、破坏模式和疲劳性能等。

1 修理试验件及疲劳性能测试

1.1 修理试验件

采用2 mm厚度的2A12-T4铝合金板模拟飞机蒙皮结构，设计350 mm×90 mm×2 mm的矩形板试验件，并在试验件中间位置开设直径为15 mm的圆形破孔模拟破孔损伤。基于等强度修理准则，选用相同材质和厚度的铝合金板加工制作补片，对于圆形破孔损伤适宜采用圆形补片修补，根据矩形板尺寸设计直径为90 mm圆形补片。

铆钉采用美国CHERRY公司生产的CR3213航空抽芯铆钉。其中，抽芯铆钉由钉体和抽芯两部分组成，钉体材料为5056铝合金，钉体直径为4 mm。胶粘剂选用Lord320/322通用型双组分环氧胶粘剂进行粘接，在树脂与固化剂1∶1体积配比下的力学性能参数如表1所示。该胶粘剂胶接厚度控制在0.5 mm左右能达到最佳胶接效果，因此在制备修理试验件时通过加入玻璃微珠控制胶层厚度为0.5 mm。

表1 材料性能参数Table 1 Parameters of material performance

为了对比不同连接方式修理破孔结构的修理效果，基于带圆形破孔损伤破孔板进行铆接修理、胶接修理和胶铆混合修理试验件的制备，并与不进行任何修理操作的带圆孔破孔板进行疲劳性能对比，各组试验的平行试验件为4件。胶铆混合修理试验件的结构尺寸如图1所示，破孔试验件仅有图1中的中心圆孔，铆接修理试验件没有图1中的胶层，胶接修理试验件没有图1中的铆钉及铆钉孔。

图1 胶铆混合修理试验件Fig.1 Adhesive-rivet hybrid repaired specimen

1.2 疲劳性能对比测试

疲劳测试试验在MTS810-500KN电液伺服试验机上进行，试验机的载荷范围为±500 kN，最高工作频率为100 Hz，加载精度为±0.5%。试验参照GB/T 3075—2008标准进行，设置加载参数如下：应力比=0.1，频率10 Hz，最大轴向拉伸载荷12.6 kN，正弦波加载。在试验过程中观察记录裂纹萌生及扩展情况，并记录最终的断裂失效加载次数，疲劳测试试验现场如图2所示。

图2 疲劳试验设备及实施方法Fig.2 Fatigue test equipment and implementation method

1.3 疲劳测试结果

将4组试验件依次进行加载测试，试验加载至试验件完全失效断裂结束，记录失效时所加载的循环次数。得到疲劳测试试验结果如表2所示，结果表明：铆接修理对破孔结构的修理效果有限，平均疲劳寿命仅为破孔板的1.233倍；胶接作用能有效改善结构疲劳性能，胶接修理和胶铆混合修理试验件的平均疲劳寿命分别为破孔板的1.978倍和2.396倍。

表2 疲劳测试结果Table 2 Result of fatigue test

对不同组试验件的断裂失效模式进行对比分析，典型失效模式如图3所示。破孔板的断裂模式如图3（a）所示，由于孔边存在应力集中现象，在拉伸载荷循环作用下由孔边发生断裂，并不断向左右边缘扩展，最终试验件从中部完全断裂失效。铆接修理试验件的断裂模式如图3（b）所示，其同样在破孔板的预制破孔处发生起裂并向左右边缘扩展，同时在试验件右上方偏离中心位置的铆钉左右两侧也发生了裂纹扩展，铆钉和补片没有明显损伤。胶接修理试验件的断裂模式如图3（c）所示，胶接部位发生脱胶，破孔板从预制破孔处产生裂纹并最终断裂，补片没有明显损伤。胶铆混合修理试验件的断裂模式如图3（d）所示，与其余修理方案不同，破孔板从偏离中心位置的下侧两个铆钉孔边缘产生裂纹并扩展断裂，最终断裂失效时补片下侧胶接失效并伴随最下方的铆钉剪切失效，补片和预制破孔边缘处没有明显损伤。

图3 不同试验件断裂模式Fig.3 Fracture mode of different specimens

2 有限元模型及计算分析

2.1 双线型内聚力模型

针对粘接界面的断裂失效问题研究，G.I.Barenblatt和D.S.Dugdale在20世纪50年代提出了内聚力模型概念，即通过选取适当参数来表征界面层的弹性模量、强度和韧度等力学性能。

随着弹塑性断裂力学的不断发展，研究者针对所应用的材料和场景不同，提出了多种不同形式的内聚力模型：抛物线型（E-CZM）、双线型（BCZM）和三线型（T-CZM）等。张军等通过将不同内聚力模型计算结果与试验结果进行对比，发现采用双线型模型进行脆性胶粘剂的拉伸与剪切模拟拟合效果更好，试验中采用的Lord 320/322环氧胶粘剂属于脆性胶粘剂。因此，本文采用双线型内聚力模型（如图4所示）模拟胶层的力学特性。

图4 双线型内聚力模型［20］Fig.4 Bilinear internal gathering model［20］

在双线型内聚力模型中，拉伸力与相对位移的关系表现为受载初期拉伸力随相对位移线性增大而呈线性增长，当相对位移达到临界位移δ（或δ、δ）时，拉伸力达到最大值σ（或τ、τ）。与此同时裂纹开始萌生，材料开始进入退化阶段。随着相对位移增大，拉伸力不断降低，同时裂纹不断扩展，最终导致材料完全断裂失效，拉伸力降为零。

2.2 修理结构有限元模型

在Abaqus有限元分析软件中建立试验件的1/2有限元模型。在铆接结构中，破孔板与补片之间、铆钉与连接孔之间属于典型的金属面—面接触，设置采用面间摩擦的硬接触方式（Hard），摩擦系数为0.2。另外，拉铆连接具有一定的紧固作用，参考供应商提供的工程参数在铆钉中段截面上设置紧固力（Bolt Load）为100 N。在胶接修理与胶铆混合修理中，胶接作用使得破孔板与补片完全固定，因此通过在破孔板与胶层、补片与胶层的接触面建立绑定约束（Tie）进行模拟胶接。

在模型一端设置完全固支模拟试验件夹持端；在模型另一端通过在截面处设置70 MPa的拉伸载荷（对应12.6 kN试验载荷）模拟试验加载端。

全局网格主要采用六面体网格，对破孔板、补片和铆钉的模拟采用对位移求解精度较高的C3D8R实体单元，铆钉结构的网格大小设置为边长0.5 mm，补片及破孔板中心裂纹扩展区域的网格大小设置为边长1 mm，其余部分网格大小设置为边长2 mm；对胶层结构的模拟采用单层COH3D8内聚力壳单元，网格大小设置为1 mm×1 mm×0.5 mm。胶铆混合修理试验件的有限元模型如图5所示。

图5 胶铆修理结构有限元模型Fig.5 Finite element model of adhesiverivet hybrid repair structure

2.3 模型计算结果

2.3.1 破孔板应力分布

通常修理结构的疲劳裂纹萌生于应力集中严重的危险区域，并产生裂纹扩展导致最终结构失效。1.3节疲劳测试结果表明，补片和铆钉基本不受损伤，在加载过程中承受载荷较低，断裂失效发生在破孔板结构。为了研究不同修理结构的载荷分布，进行破孔板结构的Mises应力云图对比，如图6所示。另外，单面修理的补片作用使得修理结构在贴补面和未贴补面存在应力分布差异。

图6 修理结构破孔板Mises应力分布云图Fig.6 Mises stress distribution cloud figure of repair structure

从图6（a）可以看出：在拉伸载荷作用下，破孔板在破孔边缘发生应力集中，危险部位与试验中的断裂起始部位一致。从图6（b）～图6（d）可以看出：补片分载作用降低了贴补面的最大峰值应力，缓解了破孔边缘应力集中现象，对未贴补面的应力分布也有所改善。其中，胶铆修理和胶接修理中的胶层作用能有效缓解应力集中现象，并且结构的应力分布更均匀；铆接修理的分载效果有限，甚至由于连接孔的加入导致新的应力集中区域。

不同连接方式修理导致的峰值应力结果如表3所示。

表3 峰值应力结果Table 3 Result of peak stress

2.3.2 胶层受力分析

试验测试和有限元分析结果表明，胶铆修理的修理效果略优于纯胶接修理。对混合连接的研究同样表明，胶层中加入机械连接能有效提高连接效率。为了研究胶层中铆钉加入对胶层承载的影响，将胶接修理和胶铆修理模型中胶层的剪切应力与剥离应力云图进行对比，如图7所示。

图7 胶层剪切应力与剥离应力分布云图Fig.7 Cloud figure of shear stress and stripping stress distribution of adhesive layer

从图7可以看出：相比纯胶接修理，混合连接修理中铆钉加入提高了胶层传递的剪切载荷，剪切应力峰值提高了6.3%，因此混合连接修理的传载效率更高，修理效果更佳；铆钉紧固作用有效抑制了胶层中均匀分布的剥离应力，胶层的剥离应力峰值降低了23.1%。

3 胶铆混合修理工艺在飞机战伤抢修中的应用价值评估

对战伤飞机进行抢修是维持作战飞机机队规模的重要技术手段。战伤抢修通常在外场就地实施，保障条件有限，要求在短时间内把飞机恢复到可再次投入战斗的状态，因此，修理方式应尽可能简便，兼顾修理效果。为此，本文从抢修时间、技能要求（即修理方案的方便程度）、保障要求、修复效果4个方面，将金属蒙皮破孔的胶铆混合修理工艺与目前常见的其他修理工艺进行对比，从而评估胶铆混合修理工艺在飞机战伤抢修中的应用价值。

3.1 不同蒙皮修理方式的工时分析

为了比对不同修理方式的抢修速度，参考实际飞机金属蒙皮单个小破孔（直径不大于50 mm）修理中的工序及所耗工时，将目前国内最常用的压铆修理、在用的胶接修理和新兴的复合材料胶接修理（用复合材料修金属）与本文的胶铆混合修理方式所用工时进行对比，如表4所示，可以看出：在修理工时方面，压铆修理由于不需要等待胶层固化因此耗时最短，但压铆修理需要两侧施工，对可达性要求高，有时需要耗费大量时间用于结构拆装；胶铆修理由于拉铆钉固定承载，在紧急状态下可以不待胶层完全固化即可再次出动；胶接修理与复合材料修理由于需要等待胶层彻底固化，耗时较长，甚至在没有加速固化设备的情况下需要长达24 h以上的固化时间。