Numerical and Experimental analysis of interlaminar stresses in bonded composite patch repairs

现代飞机越来越多地采用由浸泡在树脂中的合成织物层构成的材料进行制造，这种材料被称为复合材料。这些材料之所以备受青睐，是因为它们极其坚固且轻盈，使飞机能够飞得更高，并消耗更少的燃料。然而，与任何材料一样，它们可能会受到冲击或应力的损伤，经常会在层与层之间产生隐藏的裂纹，或者出现削弱整个结构的孔洞。当飞机受损时，更换整个部件既昂贵又浪费。相反，工程师经常使用一种修复技术，即在受损部位粘上一块由相同强力材料制成的新部件，就像在伤口上贴上绷带一样。挑战在于，如何确保这块补丁在飞行的巨大压力下保持牢固，而不会脱落或导致底层结构失效。

来自阿尔及利亚和卢旺达大学的一个研究小组致力于了解这些粘贴的补丁在被拉开时究竟是如何表现的。他们专注于补丁与原始板材交界处以及材料层与层之间的无形力量。为了实现这一目标，他们不仅依赖理论，还制作了物理样本并在实验室中进行了测试，随后创建了这些样本的详细数字孪生模型，以观察损伤是如何扩散的。他们的目标是找到排列补丁内部纤维的最佳方式，使负载能够均匀分布，从而防止胶水失效并导致修复件解体。

研究人员首先使用碳纤维和一种坚韧的环氧树脂创建了自己的样本，这种组合在航空航天领域非常常见。他们将这些样本切割成特定的形状，其中一些具有光滑的表面，另一些则在中心钻了一个孔以模拟损伤。对于有损伤的样本，他们贴上了一个由相同材料制成的正方形补丁，并用一种专门的粘合剂进行粘接。他们在一台机器中测试这些试件，直到将它们拉断，仔细测量了它们能承受多少力以及在失效前能拉伸多长。他们还在显微镜下检查了破碎的部分，以观察材料究竟是如何失效的，注意到孔洞导致材料沿直线发生脆性断裂，而修复后的部件则显示出跨越多个平面的更复杂的断裂模式。

为了理解这些断裂背后的力学机制，团队转向了强大的计算机模拟。他们构建了一个修复板的三维数字模型，将其分解为数百万个微小的点，以追踪每一个位置的应力。他们使用了两种先进的方法来预测失效。一种方法允许计算机模拟裂纹在材料中出现和生长，而无需重新绘制网格；另一种方法则专注于薄薄的一层胶水，模拟它是如何从表面剥离的。他们测试了补丁内层堆叠的不同方式，通过改变纤维的角度来观察哪种排列方式能最好地处理应力。他们还将碳纤维补丁与玻璃纤维补丁进行了对比，并在碳纤维和玻璃纤维基板上分别进行了测试。

结果表明，计算机模型非常准确，与实际测试结果的偏差小于百分之五。这让研究人员确信，他们的数字工具可以可靠地预测修复效果。当他们分析修复板内部的应力时，发现纤维的排列方式至关重要。在大多数配置中，应力高度集中在补丁的中心，即孔洞所在的损伤处。然而，有一种特定的排列方式脱颖而出。当他们使用玻璃纤维补丁贴在玻璃纤维板上，并采用特定的角度交替排列层时，应力分布变得异常均匀。在这种优化设置下，峰值应力仅为5兆帕，相比之下，其他设计中的应力可达30兆帕，降幅显著。

研究还表明，胶层本身是一个关键的薄弱环节。模拟显示，粘合剂中的最高应力不在补丁的中间，而是在补丁结束处的边缘。这正是胶水最容易开始剥离的地方。研究人员发现，补丁和基板所使用的材料类型会改变这些边缘应力的行为。例如，当碳补丁用于碳基板时，边缘应力相当高，但当使用玻璃材料时，应力水平通常较低且更易控制。团队得出结论，仅仅把补丁粘上去是不够的；补丁的内部结构必须经过精心设计，以匹配它将承担的载荷。通过选择正确的纤维方向和材料组合，工程师可以创造出不仅仅是临时修补，而是能够恢复结构强度与安全性的持久解决方案。