復(fù)合材料膠結(jié)結(jié)構(gòu)拉伸試驗(yàn)及膠層應(yīng)力分析

任 偉，張少鋒，張 博，胡樂瀚，胡琬婷

（1.海軍駐廣州七五〇廠軍事代表室，廣州 510000； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣州 510610；4.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610）

復(fù)合材料膠結(jié)結(jié)構(gòu)拉伸試驗(yàn)及膠層應(yīng)力分析

任 偉1，張少鋒2,3,4，張 博2,3,4，胡樂瀚，胡琬婷

（1.海軍駐廣州七五〇廠軍事代表室，廣州 510000； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣州 510610；4.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610）

通過對(duì)復(fù)合材料雙搭接膠結(jié)結(jié)構(gòu)開展單向拉伸試驗(yàn)，并利用理論和數(shù)值仿真方法分析對(duì)結(jié)構(gòu)在拉伸狀態(tài)下的膠層剪切應(yīng)力進(jìn)行。研究結(jié)果表明：膠結(jié)件的破壞為膠層與搭接板間的脆性脫粘破壞，無膠層內(nèi)聚破壞，復(fù)合材料搭接板局部有分層損傷產(chǎn)生；應(yīng)力變化趨勢(shì)的理論結(jié)果和仿真結(jié)果一致，數(shù)據(jù)吻合性好且誤差小，剪切應(yīng)力最大值發(fā)生在膠結(jié)端部，變化趨勢(shì)從樣件中部到端部先下降再上升；膠結(jié)接頭的破壞是由于外載作用下膠層內(nèi)部的剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

復(fù)合材料；膠接結(jié)構(gòu)；斷口分析；應(yīng)力分析；仿真模擬

復(fù)合材料具備輕質(zhì)、高比剛度、高比強(qiáng)度及可設(shè)計(jì)性等優(yōu)異特性，已在航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，由次承力結(jié)構(gòu)逐漸向主承力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。為了實(shí)現(xiàn)載荷傳遞和結(jié)構(gòu)的整體性，復(fù)合材料連接必不可少，目前研究的主要連接方式包括機(jī)械和膠結(jié)兩種。與機(jī)械連接相比，膠結(jié)結(jié)構(gòu)具備不破壞纖維的連續(xù)性、無鉆孔引起的應(yīng)力集中、不削弱元件承載能力、連接效率高和結(jié)構(gòu)輕等優(yōu)勢(shì)[1～4]，在飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接中占有很大比重，在某些機(jī)體結(jié)構(gòu)上，膠結(jié)面積甚至超過機(jī)身總面積的50 %。然而，在服役過程中，有統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，復(fù)合材料連接部位是承載的薄弱環(huán)節(jié)，飛行器結(jié)構(gòu)有70 %以上的破壞都發(fā)生在連接部位，因此，準(zhǔn)確的計(jì)算連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)成為研究熱點(diǎn)[5～8]，相關(guān)研究成果可為飛行器的安全可靠性服役保駕護(hù)航。本研究針對(duì)復(fù)合材料膠結(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，通過試驗(yàn)研究、理論分析和仿真模擬的方法研究復(fù)合材料雙搭板膠接接頭的應(yīng)力分布及破壞形式。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣件

本研究選復(fù)合材料雙搭板膠接接頭為研究對(duì)象，試樣照片如圖1所示。內(nèi)外搭板材料為復(fù)合材料層合板，原材料為碳纖維雙馬樹脂預(yù)浸料（CCF300/QY8911），經(jīng)固化后形成復(fù)合材料層合板，單層厚度為0.12 mm，試板共鋪設(shè)24層，鋪層順序[+45/0/-45/90] 3 s；膠結(jié)連接使用膠膜，型號(hào)為BMS 5-101。復(fù)合材料與膠膜基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 試驗(yàn)用雙搭板膠接件樣件（a.正面形貌 b.側(cè)面形貌）

1.2.1 拉伸試驗(yàn)

復(fù)合材料雙搭膠接接頭拉伸試驗(yàn)參考GB/T 7124-2008，萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為MTS 810-100kN，加載速度為2 mm/min，為了保護(hù)復(fù)合材料，在試樣加持端2個(gè)表面粘貼加強(qiáng)片，同時(shí)加強(qiáng)片可以實(shí)現(xiàn)載荷傳遞，復(fù)合材料雙搭接接頭拉伸加載示意圖見圖2。

1.2.2 理論分析

復(fù)合材料平面膠接連接結(jié)構(gòu)可以采用解析方法求得理論解，本部分采用Tsai等人[9]提出的考慮搭接板剪切變形的雙搭板膠結(jié)接頭應(yīng)力分析方法，計(jì)算了膠層不同位置上的剪切應(yīng)力值。

1.2.3 仿真模擬分析

仿真模擬分析的方面，利用大型有限元商業(yè)軟件ABAQUS 6.13-4，通過建立幾何模型、設(shè)置材料屬性、邊界加載、網(wǎng)格劃分及分析計(jì)算等一系列步驟，計(jì)算了膠層不同位置下的應(yīng)力狀態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖2 復(fù)合材料雙搭板膠接件拉伸試驗(yàn)

表1 材料基本力學(xué)性能參數(shù)

2.1.1 載荷-位移曲線

拉伸載荷和位移曲線如圖3所示，從圖中可以看出，載荷隨位移近似成線性增長(zhǎng)，達(dá)到最大值后迅速斷裂。

通過公式計(jì)算粘結(jié)區(qū)的平均應(yīng)力，膠結(jié)層平均剪切應(yīng)力為：

帶入Pmax=10.37 kN；b = 25 mm；l = 25 mm；得到粘結(jié)區(qū)的平均剪切應(yīng)力為8.30 MPa。

2.1.2 斷口分析

為了研究雙搭板膠接接頭的斷裂形式，觀察拉伸破壞后的斷口，如圖4所示。從照片可以看出，斷裂位置主要是在膠膜和復(fù)合材料層板接觸的界面開裂，未發(fā)現(xiàn)膠層內(nèi)聚破壞形式，同時(shí)在外搭接板上有少量的分層損傷產(chǎn)生，可能是該處在制備過程中存在缺陷引起的。

2.2 理論分析結(jié)果

圖3 雙搭板膠結(jié)接頭拉伸試驗(yàn)載荷-位移曲線

圖4 雙搭板膠結(jié)接頭拉伸斷口形貌

試驗(yàn)測(cè)試只能得到膠層區(qū)域的平均剪切應(yīng)力，無法獲得膠層不同部位的局部應(yīng)力狀態(tài)，而理論分析可以通過平衡條件、變形協(xié)調(diào)等控制方程，獲得膠層的應(yīng)力狀態(tài)。本部分通過理論分析求解雙搭接膠結(jié)接頭的膠層剪切應(yīng)力，采用Tsai等人[9]提出的考慮搭接板剪切變形的雙搭板膠結(jié)接頭應(yīng)力分析方法，該方法要求三個(gè)假設(shè)：①搭接板中的剪應(yīng)力沿厚度方向是線性變化的；②搭接板和膠層都是線彈性的；③搭接板和膠層是理想膠結(jié)狀態(tài)。通過應(yīng)力平衡求得膠層剪應(yīng)力的表達(dá)式：

積分常數(shù)A、B為：

且有：

式（4）中τm為膠層中的平均剪應(yīng)力；P為雙搭接接頭搭接板單位寬度所受的拉力；ti、Ei和Gi分別為內(nèi)搭接板的厚度、等效拉伸彈性模量和等效剪切彈性模量；to、Eo和Go是上下外搭接板的厚度、等效拉伸彈性模量和等效剪切彈性模量；η是膠層的厚度；l為膠結(jié)長(zhǎng)度；c是膠結(jié)長(zhǎng)度的一半；Ea和Ga分別為膠層的彈性模量和剪切模量。

取P = 415.0 N；l = 25 mm；Ga = 1.15 GPa；η = 0.2 mm； Ei = Eo= 56.2 GPa；ti = to = 2.76 mm；Gi = Go = 21.2 GPa；將上述數(shù)據(jù)帶入到上式中，得到膠層不同部位的應(yīng)力變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，膠層剪切應(yīng)力有19.73 MPa將至1.59 MPa，然后又升至39.37 MPa，平均應(yīng)力約為8.38 MPa，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果8.30 MPa非常接近，該理論分析模型可以對(duì)雙搭板膠接結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

2.3 仿真模擬結(jié)果

復(fù)合材料膠結(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，受多種因素影響，包括被膠結(jié)件的材料、鋪層、構(gòu)型、幾何尺寸、載荷類型、膠結(jié)面的膠結(jié)質(zhì)量、膠黏劑類型、膠層的厚度等。在理論計(jì)算過程中，使用了多個(gè)假設(shè)條件，而仿真分析可以相對(duì)的減少假設(shè)條件，更貼近實(shí)際工況，本部分采用仿真模擬方法對(duì)雙搭板膠結(jié)結(jié)構(gòu)拉伸條件下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，并與試驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果做對(duì)比分析，研究三者之間的聯(lián)系。另外，有限元模擬分析可以直接觀察到結(jié)構(gòu)不同部位的應(yīng)力狀態(tài)，更確切的分析危險(xiǎn)部位，為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度預(yù)報(bào)分析做基礎(chǔ)鋪墊。

復(fù)合材料膠結(jié)結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱模型，取模型的1/2作為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件ABAQUS 6.13分別對(duì)含上、下外搭接板、內(nèi)搭接板及膠層進(jìn)行三維幾何建模，建立的結(jié)構(gòu)模型如圖6所示；進(jìn)一步定義材料基本屬性，復(fù)合材料和膠層均為線彈性材料，材料基本參數(shù)參見表1；定義邊界條件和加載；劃分網(wǎng)格，選擇3維8節(jié)點(diǎn)縮減積分單元C3D8R，獲得最終的三維有限元模型如圖7所示。

對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到膠層的剪切應(yīng)力云圖如圖8所示。從圖中可以看出，剪切應(yīng)力值從左側(cè)對(duì)稱面到右側(cè)端部呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，觀察到上下膠結(jié)層的應(yīng)力極值大小基本一樣，該趨勢(shì)和理論預(yù)報(bào)結(jié)果一致。

膠層的拉應(yīng)力狀態(tài)如圖9所示，同樣在膠結(jié)區(qū)域端部出現(xiàn)應(yīng)力最大值，剪切應(yīng)力最大值和拉應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在端部，表明復(fù)合材料搭接板將在此區(qū)域發(fā)生破壞，其破壞形式取決于膠層的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

3 討論

為了判斷仿真模擬雙搭接膠接接頭膠層剪切應(yīng)力的合理性，與理論分析結(jié)果做對(duì)比分析，結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，剪應(yīng)力理論解和仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，數(shù)據(jù)吻合性好且無明顯誤差，均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，極值發(fā)生在端部。表明仿真模擬分析可以很好的計(jì)算膠結(jié)結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力，在后續(xù)的研究工作中，可以通過模擬分析對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)做初步分析，減少試驗(yàn)工作量，節(jié)約試驗(yàn)成本。

圖5 膠層剪切應(yīng)力理論解變化趨勢(shì)

圖6 復(fù)合材料雙搭板膠接結(jié)構(gòu)幾何模型

圖7 復(fù)合材料雙搭板膠接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖8 膠層剪切應(yīng)力云圖

圖9 膠層正應(yīng)力云圖

圖10 剪切應(yīng)力理論值和仿真結(jié)果對(duì)比圖

圖11 膠層法向拉應(yīng)力變化趨勢(shì)

在破壞機(jī)理分析方面，從斷口分析結(jié)果來看，破壞形式是膠黏劑與搭接板間的脫粘破壞，一般來說，引起這種破壞的因素包括剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力，因此獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在外載荷的作用下的應(yīng)力分布，是預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)失效的基礎(chǔ)。從上述試驗(yàn)結(jié)果來看，理論分析結(jié)果只考慮了剪切應(yīng)力的求解方式，并沒有考慮膠層所受拉應(yīng)力的狀況。為了進(jìn)一步分析應(yīng)力和破壞形式之間的關(guān)系，從仿真結(jié)果中，繪制出膠層的拉應(yīng)力狀態(tài)，如圖 11所示。從圖中可以看出，出膠層端部區(qū)域外，應(yīng)力值整體偏低，而在接近端部區(qū)域，拉應(yīng)力成快速增長(zhǎng)狀態(tài)。結(jié)合剪切應(yīng)力的最大值區(qū)域，表明結(jié)構(gòu)最易從粘結(jié)區(qū)域端部發(fā)生破壞，然后擴(kuò)展至整個(gè)膠結(jié)面。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)復(fù)合材料雙搭接膠結(jié)結(jié)構(gòu)開展單向拉伸試驗(yàn)，并利用理論和數(shù)值仿真方法分析對(duì)結(jié)構(gòu)在拉伸狀態(tài)下的膠層剪切應(yīng)力進(jìn)行分析。結(jié)論如下：

1）膠結(jié)件的破壞為膠層與搭接板間的脆性脫粘破壞，無膠層內(nèi)聚破壞，復(fù)合材料搭接板局部有分層損傷產(chǎn)生。

2）剪切應(yīng)力變化趨勢(shì)的理論結(jié)果和仿真結(jié)果一致，吻合性好且誤差小，最大值發(fā)生在膠結(jié)端部，變化趨勢(shì)從樣件中部到端部先下降再上升。

3）膠結(jié)接頭的破壞是由于外載作用下膠層內(nèi)部的剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

4）試驗(yàn)研究、理論分析和仿真模擬三者結(jié)合可以有效地預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供指導(dǎo)作用。

[1] 謝鳴九.復(fù)合材料連接手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社, 1994．

[2] 靳武剛.碳纖維復(fù)合材料膠接工藝研究[J].航天工藝, 2001,3:13-17.

[3] 趙麗濱,徐吉峰.先進(jìn)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)分析方法[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2015.

[4] 沈觀林,胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

[5] C Yang, SS Pang. Stress-strain analysis of single-lap composite joints ander tension [J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 1996, 118(2): 247-255．

[6] ZJ Wu, A Remeijn, J Wardenier. Stress expressions of single-lap adhesive joints of dissimilar adherends [J]. Composite Structures, 1997, 38(1-4): 273-280．

[7] F Mortensen, OT Thomsen. Analysis of adhesive bonded joints:a unifi ed approach[J]. Composites Science and Technology, 2002, 62(7):1011-1031.

[8] LB Zhao, LT Qin, YL CHen , et al. Three dimensional progressive damage models for cohesively bonded composite π joints [J]. Journal of Composite Materials, 2014, 48(6): 702-721．

[9] MY Tsai, DW Oplinger, J Morton. Improved theoretical solutions for adhesive lap joints [J]. International of solids and Structures, 1998, 35(12): 1163-1185．

Stress Analysis and Tensile Experimental of Composite Adhesive Structure

REN Wei1, ZHANG Shao-feng2,3,4, ZHANG Bo2,3,4, HU Le-han, HU Wan-ting
(1. Naval Representative Office of NO. 750 Factory, Guangzhou 510000; 2. The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology of China, Guangzhou 510610; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic information Products Reliability Technology, Guangzhou 510610; 4. Guangdong Industrial Robot Reliability Engineering Laboratory, Guangzhou 510610)

This research mainly focus on the stress states of adhesive layer in double lap adhesive composite structure according to uniaxial tensile test, theory analysis and numerical simulation analysis. The results show that a brittle debonding is occurred between the adhesive layer and composite plate with no cohesive failure; local delamination phenomenon are observed on the surface of composite plate; stress variation trend under theoretical analysis is in agreement with numerical simulation results with an low error band, the maximum shear stress occurs at the end of adhesive area. The trend of shear stress decreases at the middle of the sample and then increased to a maximum value. The method combing with experimental, theoretical analysis and numerical simulation can effectively predict the stress state of the structure, providing guidance for the design and application of composite structure.

composite; adhesive structure; fracture analysis; stress analysis; numerical simulation

V258

B

1004-7204（2017）02-0054-05

任 偉（1981-），男，安徽淮北人，工學(xué)博士，工程師，主要從事艦船裝備設(shè)計(jì)及材料應(yīng)用研究。

張少鋒（1983-），男，河南濮陽人，工學(xué)博士，工程師，主要從事裝備環(huán)境工程方向研究。

項(xiàng)目來源：國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JBA1570080）