基于预浸料挖补修理法的轨道车辆用CFRP结构修复研究.pdf

研究与开发合成纤维工业,2023,46(4):31CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY 收稿日期:2023-03-01;修改稿收到日期:2023-07-10。作者简介:户迎灿(1980),男,教授级高级工程师,主要从事轨道车辆用碳纤维复合材料研究。E-mail:huyingcan 。通信联系人。E-mail:1363415806 。基于预浸料挖补修理法的轨道车辆用CFRP 结构修复研究户迎灿1,张联合1,曾 宇1,李励宸2,靳 凯2(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266000;2.中国海洋大学,山东 青岛 266000)摘 要:采用碳纤维预浸料结合损伤挖补修理法修复轨道车辆用碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板,研究了打磨斜度、打磨阶梯数、修复补片结构等参数对修复件压缩性能的影响,并利用数字图像相关测试系统探究了修复件的断裂特性。结果表明:各因素对 CFRP 层合板修复件压缩强度的影响大小依次为补片结构、打磨阶梯数、打磨斜度,各因素对 CFRP 层合板修复件刚度的影响大小依次为补片结构、打磨阶梯数、打磨斜度;当打磨斜度为 15,打磨阶梯为 4 阶梯、补片结构为+45/-458s时,CFRP 层合板的修补效果较好;在CFRP 层合板修复过程中需避免使用 0 阶梯+编织补片的组合进行修复,同时应避免打磨斜度过大,使修补区过于接近补板边缘,造成修补效果不理想。关键词:碳纤维增强复合材料 预浸料 挖补修理法 修复 压缩性能中图分类号:TQ342+.74 文献标识码:A 文章编号:1001-0041(2023)04-0031-05 近年来,随着轨道交通行业的快速发展,轨道交通工具的轻量化成为其发展方向之一1。碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种优良的轻量化材料,因具有高的比强度和比刚度、优良的耐腐蚀性、非常好的抗疲劳性,被广泛应用于轨道交通领域,如轨道车辆的箱体、驾驶室、设备舱等2-3。随着 CFRP 的快速发展,CFRP 结构件修补问题也随之而来,对 CFRP 结构件的损伤部位进行去损及修复对其使用安全至关重要4。当前70%以上的 CFRP 结构件的修复是通过机械加工去除损伤部位后,再用预浸料铺贴去损部位固化修复5。传统的 CFRP 的去损方式包括铣削加工、钻削加工和砂轮加工,但这 3 种方式的切削量均较大,且在高速下易产生大量的摩擦热,导致CFRP 表面热损伤6。与传统的机床加工相比,机器人打磨 CFRP 则具有更高的灵活性和可控性,通过调整机器人的抓握姿势、磨削头位置和压力,可以优化 CFRP 的磨削效率。常见的 CFRP 结构件的修补方法有湿法修补、预固化修补和预浸料修补7-8,其中预浸料修补具有修复时间短、效率高等优点。M.ASHRAFI等 9使用电流通过嵌入黏合层中的编织石墨-环氧树脂预浸料产生的热量来进行固化修复,提高了预浸料固化时的温度均匀性。D.HOSKINS等10采用超声波振动取代传统真空袋法用于碳纤维-环氧树脂预浸料的固化,结果表明超声波固化的 CFRP 的层间剪切强度与真空袋法相当,但是超声波固化容易引起 CFRP 分层范围扩大,形成潜在损伤。LI G Q 等 11对层压梁试样进行低速冲击预损伤,然后使用紫外线固化树脂修复受损试样,结果表明紫外线固化树脂是一种快速、坚固、耐用、经济、有效的修复低速冲击损伤复合材料层压板的方法。张宁等12 针对传统补片固化工艺成本高、能耗大及成型时间长等问题,利用碳纳米管薄膜作为加热元件与复合材料预浸料补片进行集成,通过电加热固化达到修补损伤结构的目的,但是在电加热预浸料的过程中,由于电流直接通入使得碳纤维周围局部温度过高使得基体容易发生热损伤。陈浩等13通过对光固化复合材料预浸料补片相关特性进行开发性、对比性试验,优化了补片的设计制备工艺,提高了补片的强度和寿命,缩短了补片的光固化时间,但是光固化效率较慢,不适合大批量修复。作者基于碳纤维预浸料和挖补修理法修复受损地铁壁板的 CFRP 层合板,研究了打磨斜度、打磨阶梯数、修复补片结构等参数对修复件压缩性能的影响,并利用数字图像相关(DIC)测试系统探索了修复件的断裂特性,以期为地铁等轨道交通用复合材料损伤修复技术研究提供一定的指导和借鉴。1 实验1.1 主要原料编织带阻燃预浸料:牌号 ACTECH 1201FR/CW380TW-3,厚度 0.25 mm,中航复合材料有限责任公司产;单向带阻燃预浸料:牌号 ACTECH 1201FR/T700,厚度 0.25 mm,中航复合材料有限责任公司产;胶膜:牌号 ACTECH 1201R220,厚度0.18 mm,单位面积质量(22024)g/m2,中航复合材料有限责任公司产;CFRP 层合板:铺贴结构为平纹编织,厚度为 4 mm,预损伤深度为 2 mm,直径为 10 mm 的圆柱形缺陷,中车青岛四方机车车辆公司提供。编织带阻燃预浸料和单向带阻燃预浸料的性能见表 1。表 1 编织带和单向带阻燃预浸料的性能参数Tab.1 Performance parameters of flame retardantprepreg for woven and unidirectional tapes项目参数编织带阻燃预浸料单向带阻燃预浸料树脂质量分数/%403403纤维面密度/(gm-2)3802019050拉伸强度/MPa1 0252 17090拉伸强度/MPa9210压缩强度/MPa8421 32090压缩强度/MPa821弯曲强度/MPa1 0501 551层间剪切强度/MPa5080玻璃化转变温度/143143阻燃等级HL2HL21.2 主要仪器与设备FANUC/M20iD 工业机器人、磨削高速主轴电机、金刚石磨头:日本 FANUC 株式会社制;ACR MiniPRO 热补仪:美国 briskheat 公司制;Q-400 DIC 应变测量仪:德国丹迪公司制;C52.105微机控制电子试验机:新三思(上海)企业发展有限公司制。1.3 实验过程按图 1 所示打磨结构及表 2 所设计的正交实验,首先采用机器人夹取金刚石磨头对 CFRP 层合板损伤部分进行打磨去损,然后按照打磨后各阶梯的半径剪出同样尺寸的预浸料补片,先在阶梯的最下层铺贴一层胶膜,然后按照表 2 补片结构所对应的铺贴顺序进行预浸料的铺贴,并在最外层多铺贴一层预浸料以强化固化后的强度。固化时,采用真空袋对层合板进行包装,在真空状态下,使预浸料补片以 2 /min 的速率加热至120,然后在 120 状态下保温 30 min,随后在空气中冷却至 70 后结束固化。未受损的CFRP 层合板标记为 0#0试样,预损伤深度为 2 mm的 CFRP 层合板标记为 0#1试样。图 1 打磨结构示意Fig.1 Schematic of grinding structure表 2 正交实验设计Tab.2 Orthogonal experimental design试样打磨斜度打磨阶梯数补片结构1#1500/908s2#152编织3#154+45/-458s4#1100编织5#1102+45/-458s6#11040/908s7#1150+45/-458s8#11520/908s9#1154编织1.4 分析与测试压缩性能:采用微机控制电子试验机,按ASTM D7137/D7137M1214对 CFRP 层合板修复件试样进行测试,得到试样的载荷-位移曲线,然后按式(1)计算试样的最大压缩强度(P),按式(2)计算试样的压缩强度恢复率(Ph),按式(3)计算试样的刚度(K),按式(4)计算试样的刚度恢复率(Kh)。P=F/S(1)Ph=P/Py100%(2)K=F/(3)Kh=K/Ky100%(4)式中:F 为最大压缩力,S 为压缩方向截面积,为形变大小,Py为未受损 CFRP 层合板的压缩强度,Ky为未受损 CFRP 层合板的刚度。裂纹 DIC 图像:采用 DIC 测试系统从两个角度对修复件进行拍照,其中一个镜头正对准修复件的正中心,另一个镜头偏离一定角度,获得修复23 合 成 纤 维 工 业 2023 年第 46 卷件压缩断裂前 0.08 s 的图像,然后通过捕捉图像像素点的位移量来判断材料受压而产生形变的区域,利用相关计算获取相关区域的变形信息。2 结果与讨论2.1 CFRP 层合板修复件的压缩性能不同修复条件下 CFRP 层合板修复件的载荷-位移曲线如图 2 所示。图 2 CFRP 层合板修复件的载荷-位移曲线Fig.2 Load-displacement curves of CFRP laminates repair parts10#0试样;20#1试样;31#试样;42#试样;53#试样;64#试样;75#试样;86#试样;97#试样;108#试样;119#试样 从图 2a 可以看出:打磨斜度为 15 时,3#试样的压缩性能与 0#0试样接近,其原因是 3#试样压缩截面上胶膜尺寸小,因此受压时补片结构承受的力较大,而胶膜承受的力较小;相较于 1#、2#试样,3#试样压缩性能更好,其原因是 3#试样受力沿着 45方向发散,而补片结构为90/08s和编织方式只有受力方向与纤维方向一致时才能承力。从图 2b 可以看出,打磨斜度为 110 时,4#、5#、6#试样的压缩性能均低于 0#0试样,相比 4#、6#试样,5#试样压缩性能较好。从图 2c 可以看出,打磨斜度为 115 时,7#、8#、9#试样的压缩性能均低于 0#0试样,相比 7#、9#试样,8#试样的压缩性能较好,并且发生了二次断裂,其原因是补片周围第一次断裂后,应力没有及时的释放出去,而迅速的集中在了母材上部,导致二次断裂。2.2 影响 CFRP 层合板修复件压缩性能的因素从表 3 可以看出,3#试样的压缩性能最好,Ph达到 98.6%,故对于 4 mm 厚 CFRP 层合板,采用打磨斜度为 15,打磨阶梯数为 4,补片结构为+45/-458s的工艺进行修复效果最佳。表 3 正交实验结果Tab.3 Orthogonal experimental results试样P/MPaPh/%K/(Nmm-1)Kh/%00#265.856 36701#187.570.540 42971.71#215.581.039 77970.62#210.379.149 16387.23#262.098.656 525100.04#193.872.947 86684.95#238.589.753 92095.76#202.576.249 45987.77#188.871.047 81584.88#227.585.649 40287.69#197.874.548 33685.8k1229.3199.4215.2Pk2211.6225.4200.6k3204.7220.8229.8极差24.626.029.2k148 48945 15346 213Kk250 41550 82852 753k348 51751 44048 461极差1 9266 2876 540 各因素对 P 的影响大小依次为补片结构、打磨阶梯数、打磨斜度;对于补片结构,最优结构为+45/-458s,其次为0/908s,编织效果最差,其原因是+45/-458s在竖直方向上能够承受的力最大,0/908s次之,编织结构因铺贴后层间连接33第 4 期 户迎灿等.基于预浸料挖补修理法的轨道车辆用 CFRP 结构修复研究较差,影响最终承力性能,效果最差;对于打磨阶梯数,2 阶梯最优,但与 4 阶梯差别不大,0 阶梯与2 阶梯、4 阶梯差距较大,原因是 0 阶梯的连接面积最小,所能承受和发散的力较小,一般阶梯数越多,完整纤维越多,连接面积越大,所能承受的力也越大;对于打磨斜度,15 的斜度修复性能最佳,其次为 110,而 115 的斜度修复性能最差,其原因是当打磨斜度为 115 时,修补区过于接近母材边缘,并且所能承受压力的完整纤维较少,故对性能有所影响。各因素对 K 的影响大小依次为补片结构、打磨阶梯数、打磨斜度;对于补片结构,最优结构为+45/-458s,其次为编织结构,最差为90/08s,其原因是 K 是抵抗弹性变形的能力,沿纤维方向上的 K 较大,垂直纤维方向上的 K 就较小,由于补片结构为+45/-458s时,纤维各方向均能承受力,所以弹性变形量小,而90/08s和编织结构竖直方向上的纤维较少,所以 K 较小;对于打磨阶梯数,4 阶梯最优,但与 2 阶梯差别不大,0 阶梯与 2 阶梯、4 阶梯差距较大,原因是 0 阶梯打磨时,抛去损伤部位竖直方向上的完整纤维最少,所以 K 最小;对于打磨斜度,110 的斜度稍优于15 与 115,15 与 115 差别不大,原因是打磨斜度为 115 时,修补区过于接近母材边缘,并且所能承受压力的完整纤维较少,而打磨斜度为 15 时,铺贴难度大,容易造成性能下降。2.3 CFRP 层合板修复件的压缩断裂特性CFRP 层合板修复件的照片如图 3 所示。图 3 CFRP 层合板修复件的照片Fig.3 Photos of CFRP laminates repair parts 从图 3 可以看出,4#试样修复后出现脱落现象,裂纹总体上为横向裂纹,且出现在补片周围,其原因是 0 阶梯打磨扩大了 4#试样的损伤面积,承力主要由胶膜承担,并且使用编织结构补片造成连接力不够,最终导致补片脱落,所以在 CFRP层合板修复中需避免使用 0 阶梯+编织补片的组合进行修复。从图 4 可以看出,在断裂前一刻,CFRP 层合板补片周围均产生较大应变,1#、2#、3#试样最大变形区间在 2%8%,4#、5#、6#试样最大变形区间在 8%12%,7#、8#、9#试样最大变形区间在 6%11%。这是因为 1#、2#、3#试样的打磨斜度为 15,补片结构尺寸较小,胶膜承受的力较小,所以变形区间较小;4#、5#、6#试样的打磨斜度为 110,补片结构尺寸适中,胶膜承受的力较大,所以变形区间较大;7#、8#、9#试样的打磨斜度为 115,补片结构尺寸最大,胶膜承受的力最大,但是胶膜的强度较低,所以导致变形时断裂反而缩小了变形区间,此外由于打磨斜度为 115 时,修补结构过于靠近板材边缘,导致圆形应变区不完整。图 4 CFRP 层合板修复件断裂过程的 DIC 图像Fig.4 DIC images of fracture process of CFRP laminates repair parts 以 8#试样为例,其裂纹扩展过程如图 5 所示。图 5 8#试样裂纹扩展过程示意Fig.5 Schematic of crack propagation process of sample 8#43 合 成 纤 维 工 业 2023 年第 46 卷 从图 5 可以看出,压缩过程中,CFRP 层合板修复件裂纹出现的过程极快,从完整试样到产生最初的裂纹仅需要 0.04 s,之后在较短时间内迅速扩展成为较长裂纹,因为一旦产生了裂纹,应力就会集中在裂纹尖端,促进裂纹快速延伸。3 结论 a.采用预浸料法修复 4 mm 轨道车辆用CFRP 层合板时,较佳的工艺为打磨斜度 15,打磨阶梯数 4 阶,补片结构+45/-458s。b.各因素对 P 的影响大小依次为补片结构、打磨阶梯数、打磨斜度,各因素对 K 的影响大小依次为补片结构、打磨阶梯数、打磨斜度。补片结构为+45/-458s时修补性能最好;打磨阶梯数为 2 阶梯时修补性能最好但与 4 阶梯差别不大;打磨斜度为 15 时修补性能最好。c.CFRP 层合板修复件压缩过程中,裂纹能在极短时间内出现,并在较短时间内迅速扩展;裂纹总体上为横向裂纹,且易出现在补片周围。d.在 CFRP 层合板修复过程中,应避免使用0 阶梯+编织补片的组合进行修复,同时应避免修补时斜度过大,使修补区过于接近补板边缘,造成修补效果不理想。参 考 文 献1 梁凤飞,金迪,何勇.复合材料结构修理研究J.中国胶黏剂,2019,28(5):57-61.2 彭鹤轩.碳纤维复合材料的应用和展望J.现代盐化工,2018,45(5):24-25.3 耿甦,崔旭.复合材料修理技术研究J.沈阳航空工业学院学报,2005(4):43-46.4 王露晨.复合材料层合板修理评估方法研究D.南京:南京航空航天大学,2020.5 赵渠森.预浸料技术及其设备J.玻璃钢/复合材料,1994(1):31-36.6 KODAMA H,OKAZAKI S,JIANG Y F,et al.Thermal influ-ence on surface layer of carbon fiber reinforced plastic(CFRP)in grinding J.Precision Engineering,2020,65:53-63.7TIE Y,HOU Y L,LI C,et al.Optimization for maximizing the impact-resistance of patch repaired CFRP laminates using a surrogate-based model J.International Journal of Mechanical Sciences,2020,172:105407.8 罗伟豪.碳纤维复合材料修复补强技术研究 D.长沙:湖南大学,2020.9 ASHRAFI M,SMITH B P,DEVASIA S,et al.Embedded re-sistive heating in composite scarf repairsJ.Journal of Com-posite Materials,2017,51(18):2575-2583.10 HOSKINS D,PALARDY G.High-speed consolidation and re-pair of carbon fiber/epoxy laminates through ultrasonic vibra-tions:A feasibility studyJ.Journal of Composite Materials,2020,54(20):2707-2721.11 LI G Q,POURMOHAMADIAN N,CYGAN A,et al.Fast re-pair of laminated beams using UV curing composites J.Composite Structures,2003,60(1):73-81.12 张宁,严刚.碳纳米管薄膜电加热固化复合材料胶接修补金属结构研究 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the compressive strength of CFRP laminates repair parts were in descending order of patch structure,grinding steps and grinding slope while the factors that affected the stiffness of CFRP laminates repair parts were also in descending order of patch structure grinding steps and grinding slope;the repair effect of CFRP laminates was fairly good when the grinding slope was 15,the grinding steps were 4 steps and the patch structure was+45/-458 s;and a combination of 0 step and woven patches for repair should be avoided during the re-pair process of CFRP laminates,and the excessive grinding slope should be also aboided,which might cause the repair area to be too close to the edge of the repair plate and result in unsatisfactory repair results.Key words:carbon fiber reinforced composites;prepreg;patching repair method;repair;compression performance53第 4 期 户迎灿等.基于预浸料挖补修理法的轨道车辆用 CFRP 结构修复研究