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带状钛合金强化结构中扭曲和残余应力对提升损伤容限的影响摘要结合处裂纹阻滞剂的制造过程诱发的扭曲和残余应力已经被研究。钛合金带黏附地结合在铝合金SENT样品上以提升疲劳裂纹生长阻滞。现在已经对三种不同尺寸的影响进行了研究。当解除蒸压和残余应力时组件的回弹是把设计选择性强化考虑进去的重要因素，因为它可能改变局部气动特性和减少带裂纹的跨隙效应。残余应力的首要问题是在原铝结构中残余应力的拉伸性质对原铝中裂纹萌生和裂纹扩展行为有负面影响。残余应力用中子衍射来测量及样品的扭曲变形用轮廓线测量仪来测量。对粘结过程进行了三维有限元模型的仿真模拟。残余应力在靠近带的拉伸侧和轻微地压在没有结合的一侧被发现。扭曲和残余应力都随着带的厚度和宽度增加而增加。发现了标准压力、标准扭曲和有限元仿真之间存在非常好的一致性。关键词：残余应力；中子衍射；结合处裂纹阻滞剂；有限元分析1.介绍结构成本和增加使用寿命参量已经改变了在航天和航空工业中新产品的设计流程。他已经从性能至上的方式改变到了顾客至上的方式1。目标是为了改善性能以延长使用寿命和减少环境影响。随着使用寿命的增加，损伤容限而不是静力强度已经改变了在航空与航天结构设计方面的临界参数。其焦点在于降低结构重量，减少使用材料的成本，降低燃料消耗以及增大有效载荷。在航空航天组件的设计中大的整体结构件的使用可以显著地降低总装配的重量。这样的结构使用新的制造方法，例如以搅拌摩擦焊替代传统连接方法如铆接和螺栓连接。然而，这些结构不包含自然裂纹的阻塞物，由于他们本质上是一体式结构。系统可靠性和损伤容限规则因此限制了众多的安全因素，这降低了整体结构2的重量竞争力。为了避免大的不利安全因素，新的裂纹迟滞特征不得不成为结构的一部分。这一工作是对于调查选择性强化的可能性以增强航空航天组件的可靠性和损伤容限的研究计划的一部分。由于复合材料的轻重量，高的硬度和强度，航空航天结构修复中的结合复合材料修补程序已经被成功应用3。一块粘合修理片在裂纹尖部通过在损坏结构和片之间架压力桥来减少压力区域。在新的航空航天组件设计中选择性强化的采用需要对一些因素的更深远的考虑，诸如在使用寿命过程中的裂纹桥机制，腐蚀，粘着结合46的耐久性及当固化粘合剂时引入的残余应力等。残余热应力是关心的问题因为相比较于带而言由于低热量膨胀金属板中的残余应力是拉应力。这个拉应力区域引起了更高的平均应力-强度因子和此后更高的裂纹生长速率。关于残余应力区域的详细知识已经被证明是预测焊接铝合金片7中疲劳裂。纹生长率最重要的重要性。残余应力可以通过降低固化温度和减少固化时间8降低。这种方法不得不伴随忧虑使用，因为这种方法学可能导致降低粘合处结构的完整性及粘结剂可能在高的使用温度或在热带气候中后续硬化。Djokic 等人9已经证明了残余应力可能通过固化流程最佳化被明显地降低。Sablekin 等人10已经应用应变测量仪测量了残余应变以及面外的挠曲量是由于残余热应变（机械翻译）在一侧打补丁的复合材料带拉伸试件中部引起的。把残余应力也作为有限元分析的模型。无应力态温度（技术）被决定于变更温度值到一个较好的适合的温度以获得面外挠曲量为止。使用这个温度值，应用应变仪测试值一个好的相关系数被得到。Sabelkin 等人11已经进一步证明无应力态温度可以被发现于预测的疲劳裂纹生长率数据与实验方法发现在被修补好的结构上的生长率相符合。这项工作中，在一个以不同尺寸钛合金（Ti6Al-4V）带强化的7085-T7651铝合金SENT（侧边有锯齿状的拉应力）试样中面外挠曲量和残余应力已经被轮廓测量器和中子衍射及三维有限元分析模拟测量出的。2.实验步骤2.1试样装配由一个10mm厚，400mm长及140mm宽的以钛合金(Ti-6Al-4V)带强化的7085-T7651铝合金SENT试样构成。在粘结带之前，一个17mm长度缺口被刻在SENT试样上。带的前沿位于从SENT试样边缘起37mm处，因此从缺口到带的前沿距离有20mm。样品的示意图如图1中所显示。相比较于传统片补修试样在试样 缺口 带 铝板 图1.强化的SENT试样示意图设计方面的最显著性差异是在带和片的下面没有最初损伤和裂纹。沿着长度尺寸的方向以下称为纵向，沿着宽度尺寸的方向以下称为横向以及沿着贯穿尺寸的方向以下称为法线方向。用数字表示，厚度方向是指z轴，0代表没有粘合的表面及z=10mm代表在SENT试样与粘合处粘结剂之间的界面。在这项工作中三种不同的钛合金带几何体的影响被研究调查。带的长度都是200 mm。100 mm宽2 mm厚的带被用于强化第一个试样。第二个试样用60 mm宽的带强化，并且组建了2 mm 厚层。在第一个钛合金层上面，第二层用同样的粘合剂一起加工处理。第三个试样同样被强化两层，但是在这个案例中带的宽度是20mm。用于分析的机械性能在表1中给出。热膨胀系数(CTE)和玻璃化转变温度(Tg)也在表1中给出。使用的材质属性已经在文献中找到。FM94 12的使用性能被假设为类似于FM30013 铸造性能，因为全部材料都是加热定型和环氧胶粘剂钢化（此外，一个参数化有限元分析研究再次证实在SENT试样中粘结性能对的残余应力有很小的影响）。表1机械性能材料E（GPa）Al710.3323.6660FM942.42130.3813581311712Ti1140.3428.61668在粘结之前，铝合金SENT和钛合金表面都要进行酸洗。BR12714 底漆被应用于铝合金的表面防腐。用FM94连接组装并且在120C下固化1小时。试样在0.28MPa的高压釜里进行固化。2.2.中子衍射 中子衍射被确定为无损技术以判定在金属结构中15的应变。由Bragg 16意识到晶面间距可以从衍射峰值的位置确定： （ 1 ）这里d是晶面间距，是中子散射的波长以及是入射线与散射平面的夹角。材料里测量方向上的正应变()此后能够从以下的表达式计算出，如果应力分量()和无应力态参考试样()的晶面间距都可以被测量出。 （ 2 ） 测量值在SALSA衍射仪上得到，在劳厄-朗之万研究所17，格勒诺布尔，法国。铝是面心立方（FCC）晶体，因此使用（3 1 1）面的测量值，因为它给出了一个高的多重性。（3 1 1）面的弹性回复也被证实与宏观弹性回复18关联良好。波长被设定为1.7埃（0.17nm）以达致有衍射角（2）接近于90度的近似立方体量规体积。无应力态晶面间距参考值是在同一批次SENT试样材料中3 mm 3mm 3 mm的立方体切片中测量的。在轧制金属板材时由于质地和诱发的各向异性的塑性因素，无应力态试样中晶面间距不得不在三个方向上（纵向的，横向的和贯穿向）测量。为确保量规体积完全在试样里面，一个1mm 1mm 0.9 mm 的量规测量体积被使用。在强化的SENT试样中，中子衍射测量值在沿着从缺口尖部裂纹生长方向的位置得到实现，裂纹生长方向穿过了试样的宽度并在三个位置以及三个方向上穿过厚度层(z = 2.5, 5.0 and 7.5 mm)。适用于纵向测量的机构可以在图2中看到。对于所有的三个方向使用的量规体积是2mm 2mm 2.5 mm。使用了两种不同的量规体积的纯铝粉测量得到进行以确保由于改变量规体积衍射仪峰值位置没有变化发生（两种测量值之间的误差处于同一数量级别以作为对独立结果的合适误差）。 散射矢量 检波器衍射束 入射光束图2.用于在SALSA中纵向测量的机构（带有2层2mm厚及20mm宽带的SENT试样）2.3.扭曲变形的轮廓测量在SENT试样的面外位移被测量前后，带有三丰轮廓测量仪（CMM）的胶粘结带来确定扭曲变形，它是由于锁定在结构内的热应变而引发的。试样在整个背侧表面沿着纵向和横向，在整个背侧表面沿着纵向和横向被测量在5mm间隔的测量密度的未强化面。3.实验结果3.1. 中子衍射测量结果3.1.1.粘结有2mm厚及100mm宽带的试样中的残余应变与应力粘结有2mm厚及100mm宽带的SENT试样在纵向，横向和法线方向的测定的应变如图35所示。带位于从缺口尖端20mm到120mm处。为了方便起见，每一个试样的有限元分析结果也包含在这些及随后的图表中。然而，有限元分析结果将在本文后面讨论。图3. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中纵向的残余弹性应变图4. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中横向的残余弹性应变图5. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中法线方向的残余弹性应变在纵向和横向上相应的应力如图6和7中所示。对于所有试样配置法线方向的应力都非常小，为了方便起见忽略不计。图6. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中纵向的残余应力图7. 粘结有2mm厚100mm宽带的SENT试样中横向的残余应力3.1.2.有4mm厚及60mm宽带的试样中的残余应力在接下来的截面中，只列出了应力图。为了简洁，应变图已经被忽略。对于带有2层2mm厚及60mm宽的钛合金带强化的SENT试样，纵向和横向的应力在图8和图9中列出。补修位于从缺口尖部20mm到80mm处。图8. 粘结有4mm厚60mm宽带的SENT试样中纵向的残余应力图9. 粘结有4mm厚60mm宽带的SENT试样中横向的残余应力3.1.3. 有4mm厚及20mm宽带的试样中的残余应力对于带有2层2mm厚及20mm宽的钛合金带强化的SENT试样，纵向和横向的应力在图10和图11中列出。补修位于从缺口尖部20mm到40mm处。图10. 粘结有4mm厚20mm宽带的SENT试样中纵向的残余应力图10. 粘结有4mm厚20mm宽带的SENT试样中横向的残余应力对于整个试样，接近于带的一侧应力为拉应力，在没有粘结的一侧为轻微地压应力。这是由于当强化板被强迫地套合在粘结面上时一侧的补丁结构发生弯曲的不对称引起的。它也可以从结果中看出，在纵向和横向上都有一个50MPa大小的拉应力被诱导产生在有2mm厚及100mm宽带的试样中（图6和图7）。在粘结有2层2mm厚及60mm宽带的试样中的应力是有相同的数量级的，然而在粘结有20mm宽层地SENT试样中的应力被显著降低大约在带的下侧有35MPa（图10和图11）。在SENT试样中较宽的带将诱发更大的弯曲力矩以及因此更大的应力。3.2.轮廓测量结果对于在强化试样的宽度中心位置由沿着金属板一头到另一头的残余应力引起的面外偏差在图12a中给出。可以得出较宽带比较窄带会引起更大的面外偏差。从缺口尖端沿着整个宽度方向测定的面外偏差在图12b中给出。粘有较窄带的试样在这一方向上仅仅引起局部轻微偏差，因为板仅仅在粘有带的这一方向上损坏。图12.由在强化SENT试样（a）中沿着宽度中心穿过整个长度（b）为路径的残余应力引起的从缺口尖端沿着整个宽度的扭曲变形 4.有限元程序在固化后的二次加热之上，残余热应力变为0的温度被指为无应力态温度（）。在此温度之下，残余热应变被锁定在结构中及诱发了残余应力。如果粘结剂在以下固化，无应力态温度常常与玻璃化转变温度（）19，20相一致。对于整个系统在高于固化温度的地方，被视为等同于固化温度（）21。 因此，在这项工作中，诱发的残余热应力已经被模拟应用于温差下定义，由于(表1)几乎与固化温度（）相一致： （ 3 ）使用商业有限元软件ABAQUS得到了所有的有限元模型。在表1中给出的线性材料弹性模量被应用于分析中。非线性几何效应也被计算在内。铝合金底板被划分为20个节点模型以减少集成单元（C3D20R）以及粘结剂的薄膜层和带层被划分为8个节点模型以减少整合连续壳单元（SC8R）。在板中单元大小为2 mm 2.5 mm 2.5 mm，在粘结剂和带中为1.25mm 1.25 mm。较小的单元在粘结剂和带中使用以确保在板和粘结剂之间的节点密度相似。网眼在图13中看出。图13.用于结合裂纹阻滞剂试样的网眼金属板和粘结剂之间及粘结剂与带之间的表面运用表面基本约束结合在一起。使用ABAQUS软件TIE选项，从属平面的自由度被消除，节点将发生变形因为在主平面上最靠近的节点。5.有限元模拟结果在纵向、横向及法线方向上，对于有2mm厚及100mm宽带的试样中粘结剂固化过程中诱发的残余弹性应变的有限元分析结果已在图35中分别给出。方便起见，其他试样的应变模型被忽略不计。在纵向和横向上，对于有2mm厚及100mm宽带的试样中带的固化过程中诱发的残余应力的有限元分析结果已在图6和图7中给出。法线方向的应力是非常小的，因此为方便起见对于所有试样法向应力将被忽略不计。在纵向和横向上，对于有4mm厚及60mm宽带的试样中带的固化过程中诱发的残余应力的有限元分析结果已在图8和图9中给出。在纵向和横向上，对于有4mm厚及20mm宽带的试样中带的固化过程中诱发的残余应力的有限元分析结果已在图10和图11中给出。 取决于沿着强化试样的宽度位置中心从一头到另一头的路线的预测扭曲变形已在图12a中给出。从缺口尖部沿着整个宽度方向测定的面外偏转已在图12b中给出。用4mm厚及60mm宽带强化的SENT试样中的扭曲变形模型也在图14中给出。图14. 粘结4mm厚及60mm宽带的SENT试样中的扭曲变形模型（偏转被放大100倍）对于所有试样，在纵向和横向上最大的应力具有相同的数量级。对于较宽的试样，应力和偏转都被发现是极其相似的。对于较窄试样，应力和扭曲变形明显降低。6.讨论对于粘结有100mm宽及2mm厚带的试样中的残余弹性应变在图35中给出。可以看出比较于在横向和法向应变沿着整个宽度的纵向残余应变是相当恒定的。这是由于试样在纵向贯穿整个宽度（也包含结合区域范围以外）这一路径上被强制约束。在结合和未结合之间的过渡区域，横向的高梯度可以被看到。这是由于在带下面SENT试样仅仅在这个方向上被强制约束。在法向上的梯度起因于泊松比，因为试样在这个方向上没有强制约束。对于其他试样相似的应变梯度特征也被发现。对于所有带尺寸而言法向应力被发现接近于0，因为不匹配主要引起弯曲应力，相比于宽度带是相对薄的以及SENT试样也没有在法向上强制约束。大的应力梯度在横向被发现，因为在带下面试样仅在这个方向被强制约束（图7,9和图11）。在带下方纵向残余应力的增加（图6,8和图10）是主要由于横向应力，因为没有显著的梯度在纵向应变图（图3和图4）中得出。比较残余应力测量值和测定的面外翘曲结果，可以得出，最高残余应力不出所料的在沿着纵向路径测定的最高面外偏差的试样中被发现（在100mm和60mm宽的试样中，图12a）。然而，对于粘有较窄带的试样，较低的面外偏差沿着横向路径被发现，因为较小的区域被强制约束及因此仅仅较小的宽度区域受到弯曲（图12b）。同样应该注意到的是，对于不对称的强化金属板，残余应力引起的面外弯曲与那些由外加载荷引起的面外弯曲相反。预测的残余应力与实验结果相比较如图311中所示。在图35中可以看出，在模拟与测定的应变之间有很好的相关性。对于另一个模型，相似的相关性也被发现，但是为了方便起见在这里没有证明。在两组结果中形状分布特征和数量都存在很好的相关性。可以进一步的得出贯穿试样厚度层的预测应力分布也通过靠近带的拉应力和在未强化一侧的压应力模拟被精准地预测。在粘结有2mm厚及20mm宽带的SENT试样中的残余应力结果已经在其他地方23被提出。在那个试样中发现的最大应力是大约25MPa。这个结果与图6和图10中的结果比较可以得出对于较宽和较厚带应力增长显著。在图12中测定的扭曲变形比较于模拟回弹。除了粘有60mm宽及4mm厚带的试样纵向偏转，在测定的面外偏转和模拟之间发现了很好的相关性。在这里模拟对偏转些微地估计过高。然而，横向偏转和应力出奇的一致。这可能表明对于那个试样纵向偏转存在测量误差。在实验的结果和模拟结果之间良好的相关性表明无应力态温度与假作为定的固化温度相一致。在这项工作中，未疲劳试样已经被测量和模拟。未来的研究将从事于对带的几何形状的进一步研究。伴随疲劳裂纹生长的残余应力的演变将在原来位置被测量以及互补的疲劳裂纹生长测验将被着手进行以在测定的试样上对强化的裂纹阻滞性能方面评估残余拉应力的影响。目前为止，在未强迫约束的测试试样中测量值被着手进行。在真实结构中，强化结构将被大量的强迫约束以及此后残余应力将有差异的分布。因此，未来的工作将包含在更加逼真的机翼翼盒中残余应力的测量和模拟。7.结论测定的残余应力和测定的由残余应力引起的扭曲变形都与有限元分析模拟结果相吻合。这表明残余应力可以通过粘结剂粘结固化过程中诱发的热应变控制，这也表明了联合固化反应的收缩应力和非线性影响是比较小的。热应变是由在带和强化结构间热膨胀系数不匹配引起的。因此，线性弹性模量可以用于精确地模拟诱发的残余应力。当组件解除高压时的回弹也可以被精确预测，因此回弹的影响可以再产品周期的设计阶段被解释说明。致谢感谢英国空中客车公司、美国铝业公司和美国氰特公司的财务支持。非常感谢格兰菲尔德大学的D. Figeroa-Gordon博士制造的试样。非常感谢在非常感谢在实验过程中在ILL，勒诺布尔（法国）的仪器科学家D.J. Hughes博士在SALSA衍射计方面的帮助。参考文献1 J.C. Willams, E.A. Starke, Acta Mater. 51 (2003) 57755799.2 X. Zhang, Y.Z. Li, A.I.A.A.J. 43 (2005) 16131623.3 A.A. Baker, R.J. Chester, M.J. Davis, J.D. Roberts, J.A. Rethford, Composites24 (1993) 511521.4 C.D.M. Liljedahl, A.D. Crocombe, M.A. Wahab, I.A. Ashcroft, J. Adhes.Sci. Technol. 19 (2005) 525547.5 C.D.M. Liljedahl, A.D. Crocombe, M.A. Wahab, I.A. Ashcroft, J. Adhes.82 (2006) 10611089.6 C.D.M. Liljedahl, A.D. Crocombe, M.A. Wahab, I.A. Ashcroft, Int. J.Adhes. Adhes. 27 (2007) 505518.7 C.D.M. Liljedahl, J. Brouard, O. Zanellato, J. Lin, J. Tan, S. Gangulo, P.E.Irving, M.E. Fitzpatrick, X. Zhang, L. Edwards, DTAS, September 2007,Delft, Netherlands.8 C.L. Ong, S. Shen, Int. J. Adhes. Adhes. 12 (1992) 1926.9 D. Djokic, A. Johnston, A. Rogers, P. Lee-Sullivan, N. Mrad, CompositesPart A 33 (2002) 277288.10 V. Sablekin, S. Mall, M.A. Hansen, R.M.Vandawaker, M. 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