基于再制造粘膠修復(fù)技術(shù)的工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷修復(fù)研究

王博華

摘要：本文針對(duì)工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并基于有限元模型進(jìn)一步探究了再制造粘膠修復(fù)結(jié)構(gòu)處于各種參數(shù)狀態(tài)時(shí)的修復(fù)效果，利用應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率實(shí)現(xiàn)了修復(fù)效果的量化與評(píng)估。結(jié)果表明，再制造粘膠修復(fù)技術(shù)具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)在工程機(jī)械領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，值得大力推廣與應(yīng)用，而在工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷修復(fù)中，選擇硼/環(huán)氧樹脂為補(bǔ)片材料，可以獲得最佳修復(fù)效果，從而為工程機(jī)械再制造的實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：再制造;粘膠修復(fù)技術(shù);工程機(jī)械;表層疲勞裂紋;損傷修復(fù)

中圖分類號(hào)：TQ437+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）00-0154-04

1引言

由于工程機(jī)械使用環(huán)境太過復(fù)雜，金屬結(jié)構(gòu)所需承載交變載荷也非常復(fù)雜，處于全壽命周期時(shí)，很容易出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)而導(dǎo)致表層出現(xiàn)裂紋。對(duì)于整個(gè)工程機(jī)械而言，帶有疲勞裂紋損傷的結(jié)構(gòu)是其最薄弱的部分。再制造主要是針對(duì)壽命周期下舊機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解與清理，修復(fù)損傷部分，并重新裝配，采用科學(xué)合理的測(cè)試手段加以驗(yàn)證，然后促使再制造機(jī)械結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。再制造粘膠修復(fù)技術(shù)是基于復(fù)合材料補(bǔ)片修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)的損傷部分，確保能夠及時(shí)恢復(fù)部件性能與壽命的技術(shù)。作為再制造的關(guān)鍵性技術(shù)，其具有以下顯著性優(yōu)勢(shì)，即突出的可設(shè)計(jì)性、修復(fù)效果好、疲勞性能卓越、修復(fù)作業(yè)周期短、表層形狀適應(yīng)能力強(qiáng)、防腐蝕、結(jié)構(gòu)修復(fù)后增重不明顯、智能化監(jiān)測(cè)。

2工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的接觸面滾動(dòng)或者滑動(dòng)復(fù)合摩擦的時(shí)候，受交變接觸壓應(yīng)力影響下，零部件表層疲勞出現(xiàn)物質(zhì)損傷。不同于一般材料疲勞損壞，其存在摩擦與磨損作用，表層出現(xiàn)塑性變形與發(fā)熱現(xiàn)象，承受液體潤滑介質(zhì)作用。而且如何選擇零部件材質(zhì)、硬度、潤滑油脂等，與表層疲勞損傷密切相關(guān)。裂紋損傷是受外部力度撞擊或者持續(xù)性載荷作用，出現(xiàn)裂紋甚至完全斷裂。零部件出現(xiàn)裂紋很多情況下就是從小裂紋開始的。機(jī)械零部件都是基于多元化加工方式所得，一般來說，都在一定程度上帶著肉眼不可辨識(shí)的缺陷，在長期使用的作用影響下，裂紋逐漸發(fā)展，直到最后產(chǎn)生破壞性裂紋。裂紋對(duì)于金屬連續(xù)性有著直接性影響，很容易造成應(yīng)力集中，加快裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致零部件受低應(yīng)力作用提前性損壞，甚至引發(fā)安全事故。

3有限元建模

3.1幾何建模

工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷結(jié)構(gòu)材料的尺寸為200mm×100mm×10mm，其中帶有中心表層裂紋，長度為2c，深度為d，選擇三種復(fù)合材料補(bǔ)片，即尺寸為60min×60mm×3mm的硼/環(huán)氧樹脂、碳/環(huán)氧樹脂、玻璃纖維，以及60mm×60mm×lmm的環(huán)氧結(jié)構(gòu)粘膠劑。粘膠修復(fù)結(jié)構(gòu)具體如圖1所示，金屬裂紋母板的兩端分別增加100Mpa均勻拉伸載荷。工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)具體如表1所示。

3.2有限元模型

在工程機(jī)械實(shí)踐過程中，裂紋基本上都是三維裂紋，構(gòu)建三維裂紋有限元模型，以此進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算，更加實(shí)際。而斷裂力學(xué)理論也漸漸偏向于三維裂紋探究，但是，因?yàn)槿S裂紋參數(shù)定義太過繁雜，計(jì)算時(shí)所消耗成本也比較高，因此，三維裂紋探究依舊處于淺層階段?；贏NSYS Work bench斷裂力學(xué)有限元計(jì)算模塊，損傷結(jié)構(gòu)一端添加固定約束力，而另一端添加100Mpa方向相互背離損傷結(jié)構(gòu)均布拉伸載荷下，帶有中心表層裂紋損傷結(jié)構(gòu)的再制造粘膠修復(fù)有限元模型，采用位移外推法計(jì)算裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。

3.3計(jì)算裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子

裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子（K）是與結(jié)構(gòu)幾何、裂紋尺寸、外在載荷等相關(guān)的函數(shù)，表征裂紋尖端所承受載荷與變形的實(shí)際情況，可表示裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)與動(dòng)力。所以，針對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)表層疲勞裂紋損傷的尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，并進(jìn)行修復(fù)效果量化與評(píng)估：

其中，K以N·m^-322或Mpa·mm^1/2為單位;Y代表無量綱參數(shù)形狀系數(shù)，取值一般為1-2;σ代表名義應(yīng)力，可忽略，以MPa為單位;a代表裂紋的半長，以mm為單位。

3.4表征修復(fù)效果

為更加生動(dòng)形象地進(jìn)行修復(fù)效果表征，以無量綱參數(shù)進(jìn)行再制造粘膠修復(fù)效果闡述與分析：

其中，K_u代表未經(jīng)過修復(fù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子;K_r代表再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子;R代表再制造粘膠修復(fù)之后應(yīng)力強(qiáng)度因子的下降率，其越大，修復(fù)效果越好。

4結(jié)果與討論分析

4.1不同補(bǔ)片材料的影響

針對(duì)不同復(fù)合材料補(bǔ)片對(duì)于表層疲勞裂紋修復(fù)效果的作用分析，選擇硼/環(huán)氧樹脂、碳/環(huán)氧樹脂、玻璃纖維進(jìn)行再制造粘膠修復(fù)。具體影響作用分析如圖2所示。

從圖可知，再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率在裂紋尖端半橢圓中心角逐漸變大的趨勢(shì)下下降，也就是再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率隨著裂紋的深度增大逐漸下降。所以，修復(fù)效果對(duì)距離損傷結(jié)構(gòu)表層位置最近的裂紋尖端最顯著，而隨著裂紋尖端越深，修復(fù)效果則呈現(xiàn)隨之降低狀態(tài)。

復(fù)合材料補(bǔ)片類型作為變量，裂紋尖端的半橢圓中心角α為0°與90°時(shí)，修復(fù)效果具體如圖3所示。

從圖中可以看出，硼/環(huán)氧樹脂對(duì)于表層裂紋的修復(fù)效果最佳。而且，硼/環(huán)氧樹脂的修復(fù)效果具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，即在最為接近損傷結(jié)構(gòu)表層的裂紋尖端位置上效果最明顯。這主要是由于硼/環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能較好，而且彈性模量、剪切模量相對(duì)較高，可以承受大量膠層傳輸載荷。

4.2硼/環(huán)氧樹脂的影響

4.2.1長度

硼廊氧樹脂長度在修復(fù)效果中的影響具體如圖4所示。

從圖可知，在其余參數(shù)處于恒定狀態(tài)下，長度達(dá)到裂紋長度一半之后，應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率對(duì)于硼/環(huán)氧樹脂的長度并不敏感。這主要是由于基于膠接理論，剪切變形與載荷傳輸只發(fā)生于膠接接頭端頭一小部分膠層內(nèi)，并以指數(shù)冪為載體快速衰減，因此接頭大部分區(qū)域中，膠層并不進(jìn)行載荷傳輸。然而，在再制造粘膠修復(fù)中，需確保硼/環(huán)氧樹脂一定長度，從而防止出現(xiàn)局部脫膠現(xiàn)象。

4.2.2寬度

硼/環(huán)氧樹脂寬度在修復(fù)效果中的影響具體如圖5所示。

從圖中可以看出，在其余參數(shù)處于恒定狀態(tài)下時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率會(huì)隨著硼/環(huán)氧樹脂的寬度增大逐漸上升。在處于既定值的時(shí)候，影響程度也逐漸減緩。在再制造粘膠修復(fù)實(shí)踐中，最佳狀態(tài)則是硼/環(huán)氧樹脂寬度增大到與金屬損傷結(jié)構(gòu)寬度相同。

4.2.3厚度

硼/環(huán)氧樹脂厚度在修復(fù)效果中的影響具體如圖6所示。

從圖可知，在其余參數(shù)處于恒定狀態(tài)下時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率在硼/環(huán)氧樹脂厚度增大的趨勢(shì)下逐漸上升，而且變化非常明顯。隨著厚度逐漸增大，修復(fù)效果也越來越好。在再制造粘膠修復(fù)實(shí)踐中，厚度越大的硼/環(huán)氧樹脂端部最好設(shè)置楔形角，從而緩沖端部結(jié)構(gòu)突生變化，有效降低膠層剪切力與剝離應(yīng)力。

4.3粘膠劑厚度的影響

粘膠劑膠層厚度在修復(fù)效果中的影響具體如圖7所示。

從圖可知，在其余參數(shù)處于恒定狀態(tài)下時(shí)，粘膠劑膠層厚度增大的趨勢(shì)下，應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率逐漸下降，修復(fù)效果隨之減弱。所以，膠層厚度縮減有助于修復(fù)，但是由于膠層極易受剪切力與剝離應(yīng)力影響，在再制造粘膠修復(fù)實(shí)踐中，應(yīng)就實(shí)際情況詳細(xì)分析，確保膠層厚度處于最佳狀態(tài)。

5結(jié)論

綜上所述，通過再制造粘膠修復(fù)技術(shù)再制造修復(fù)工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷結(jié)構(gòu)，基于有限元模型獲得硼/環(huán)氧樹脂、碳/環(huán)氧樹脂、玻璃纖維三種補(bǔ)片材料對(duì)表層裂紋修復(fù)效果的影響，構(gòu)建再制造修復(fù)模型，利用有限元分析引進(jìn)應(yīng)力強(qiáng)度因子下降率，以此評(píng)估結(jié)構(gòu)的再制造粘膠修復(fù)效果。結(jié)果表明，再制造粘膠修復(fù)技術(shù)具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)在工程機(jī)械領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，值得大力推廣與應(yīng)用，而在工程機(jī)械表層疲勞裂紋損傷修復(fù)中，選擇硼/環(huán)氧樹脂為補(bǔ)片材料，可以獲得最佳修復(fù)效果，從而為工程機(jī)械再制造的實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。