碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭損傷行為研究

周 祥，胡業(yè)發(fā)，黃向陽，王 彬，宋春生

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)工藝和成型技術(shù)的不斷發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料憑借其比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。用碳纖維復(fù)合材料制造風(fēng)機(jī)葉輪將有效降低車載抽吸系統(tǒng)啟動力矩，提高傳動效率，降低設(shè)備體積和功耗。

碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭是一種典型的復(fù)合材料正交連接結(jié)構(gòu)，主要用于傳遞各正交面間的載荷[1]，碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭在真空抽吸系統(tǒng)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在CFRP(carbon fiber reinforced plastic)葉輪葉片與輪盤和輪蓋的膠接連接部位。碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭在受到面外拉伸載荷時，由于內(nèi)部存在新的結(jié)合界面，使得膠接接頭在工作過程中容易產(chǎn)生損傷[2]。針對該問題，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一系列研究。Cartie[3]和Rugg[4]等對厚度方向上Z-pin增強(qiáng)的T型膠接接頭進(jìn)行了加載試驗，發(fā)現(xiàn)Z-pin能有效增強(qiáng)T型接頭厚度方向抵抗分層的能力；Kesavan[5]等研究了T型接頭在拉伸載荷下的力學(xué)性能；Blake[6]等在T型膠接接頭中引入了新型彈性材料，分析了新型彈性材料對膠接接頭力學(xué)性能的影響；盛儀[7]等采用仿真與試驗結(jié)合的方法對T型膠接接頭力學(xué)性能的影響因素進(jìn)行了研究；崔衛(wèi)軍[8]等建立了T型膠接接頭有限元分析模型，對T型膠接接頭進(jìn)行了剛度匹配設(shè)計；朱亮[9]等建立了含缺陷的T型膠接接頭有限元分析模型，研究了T型膠接接頭缺陷位置、尺寸、填充物剛度對T型膠接接頭力學(xué)性能的影響；馬思敏[10]對T型膠接接頭的膠接半徑和角材進(jìn)行了優(yōu)化，并測試了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的T型膠接接頭的承載能力。

筆者采用有限元分析和試驗相結(jié)合的方法，對碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭在損傷過程中裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展、膠層的應(yīng)變變化和接頭的位移變化進(jìn)行分析研究。

1 復(fù)合材料T型接頭數(shù)值分析

1.1 T型接頭的幾何模型

所研究的碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由豎板、L型板和蒙皮通過膠層1、2、3、4膠接而成，其中膠層1和膠層2連接L型板和豎板，膠層3和膠層4連接蒙皮與L型板，其各部分的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭尺寸參數(shù)

圖1 碳纖維T型膠接接頭的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 材料參數(shù)及碳纖維被粘件的鋪層方式

碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭的被粘件材料為碳纖維T700預(yù)浸料，型號為FAW150RC38，單層材料的厚度為0.15 mm，該材料的屬性如表2所示。碳纖維復(fù)合材料被粘件的鋪層參數(shù)為：蒙皮[0°]40，肋板[0°]20，豎板[0°]10。

表2 碳纖維T700預(yù)浸料(FAW150RC38)材料參數(shù)

碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭的膠粘劑材料為DG-4環(huán)氧樹脂膠。其材料參數(shù)如表3所示。

表3 DG-4環(huán)氧樹脂膠的內(nèi)聚力模型參數(shù)

1.3 T型接頭的有限元模型

在有限元分析軟件ABAQUS中對碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭各部件進(jìn)行了三維實體建模，并對碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭各部件的材料屬性進(jìn)行定義。膠層在進(jìn)行內(nèi)聚力模型參數(shù)的定義時，賦予Cohesive截面屬性。對膠層采用掃掠法進(jìn)行六面體網(wǎng)格的劃分。膠層的網(wǎng)格屬性定義為內(nèi)聚力單元Cohesive，其體積粘度系數(shù)定義為0.005，以改善計算的收斂性；對碳纖維復(fù)合材料被粘件采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法進(jìn)行六面體網(wǎng)格的劃分,其網(wǎng)格采用C3D8R。對蒙皮兩端施加固定邊界條件，限制其6個自由度，根據(jù)T型膠接接頭所受載荷狀態(tài)，對豎板上端施加拉伸載荷，設(shè)置50個載荷步，每步施加75 N，共3 750 N，計算結(jié)構(gòu)每一步的應(yīng)變、位移、剛度退化指數(shù)SDEG。網(wǎng)格模型及邊界條件模型如圖2所示。

圖2 碳纖維T型膠接接頭的有限元模型

1.4 有限元仿真結(jié)果

1.4.1 膠層損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展過程分析

膠層在加載過程中損傷的產(chǎn)生與擴(kuò)展過程可通過剛度退化指數(shù)SDEG表示[11]，當(dāng)膠層單元上局部區(qū)域的剛度退化指數(shù)SDEG大于0時，膠層的剛度開始發(fā)生退化，產(chǎn)生損傷，當(dāng)整個膠層單元剛度退化指數(shù)SDEG達(dá)到1時，膠層單元被刪除，即膠層產(chǎn)生裂紋。

查看仿真結(jié)果得知膠層1和膠層2的損傷過程相同，圖3中僅給出了加載過程中膠層1損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展過程。

由圖3可知，當(dāng)拉伸力從0 N開始加載到750 N時，膠層未進(jìn)入剛度退化階段，未產(chǎn)生損傷。當(dāng)拉伸力加載到825 N時，膠層1下端部分膠層率先進(jìn)入剛度退化階段，開始產(chǎn)生損傷，但是損傷不明顯，未出現(xiàn)裂紋。當(dāng)拉伸力加載到3 000 N時，膠層1下端的部分膠層剛度退化到0，但是此時并沒有膠層單元被刪除。當(dāng)拉伸力繼續(xù)加載到3 225 N時，膠層1下端的膠層出現(xiàn)裂紋，并且隨著載荷進(jìn)一步增大，裂紋的范圍擴(kuò)大，且裂紋由膠層下端向上擴(kuò)展。

圖4為加載過程中膠層3和膠層4損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展過程。膠層3和膠層4分別為云圖中左右部分。

圖3 膠層1損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展過程

圖4 膠層3和膠層4損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展過程

由圖4可知，膠層3和膠層4的損傷過程相同。當(dāng)拉伸力從0 N加載到600 N時，膠層未進(jìn)入剛度退化階段，未產(chǎn)生損傷。當(dāng)拉伸力加載到675 N時，膠層3和膠層4相鄰端部分膠層進(jìn)入剛度退化階段，開始產(chǎn)生損傷，但是損傷不明顯，未出現(xiàn)裂紋。當(dāng)拉伸力加載到2 700 N時，膠層3和膠層4下端的部分膠層剛度退化到0，但是此時并沒有膠層單元被刪除。當(dāng)拉伸力繼續(xù)增大到3 075 N時，此時膠層單元被刪除，即膠層產(chǎn)生裂紋，并且隨著載荷進(jìn)一步增大，膠層3和膠層4相鄰端的損傷更明顯，裂紋的范圍擴(kuò)大，且裂紋由膠層相鄰端向兩側(cè)擴(kuò)展。

由以上分析可知，碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭首先在連接蒙皮與L型板的膠層(膠層3和膠層4)上產(chǎn)生損傷，但開始時損傷不明顯；隨著載荷的增大，連接豎板和L型板的膠層(膠層1和膠層2)也開始產(chǎn)生損傷；當(dāng)載荷進(jìn)一步增大時，連接蒙皮與L型板的膠層(膠層3和膠層4)首先產(chǎn)生裂紋。裂紋起始于膠層3和膠層4的相鄰端，并向兩側(cè)擴(kuò)展。

1.4.2 膠層應(yīng)變變化分析

圖5為膠層1上首先發(fā)生損傷的膠層單元的應(yīng)變(剝離應(yīng)變E33、剪切應(yīng)變E13)與剛度退化指數(shù)隨載荷的變化關(guān)系。圖中實線為膠層剪切應(yīng)變E13曲線，虛線為膠層剝離應(yīng)變E33曲線，點(diǎn)劃線為膠層剛度退化指數(shù)。

圖5 加載過程中膠層1應(yīng)變與剛度退化指數(shù)變化曲線

從圖5可知，膠層1單元的應(yīng)變變化主要分為3個階段：①剛度退化指數(shù)SDEG等于0，此階段膠層單元未發(fā)生剛度退化，膠層未發(fā)生損傷，所以隨著拉伸載荷的增大，膠層單元的剝離應(yīng)變E33和剪切應(yīng)變E13線性增大；②剛度退化指數(shù)SDEG大于0小于1，此階段膠層單元發(fā)生剛度退化，膠層出現(xiàn)損傷，所以膠層單元的剝離應(yīng)變E33和剪切應(yīng)變E13的增速明顯增大，但由于剛度退化指數(shù)未達(dá)到1，膠層單元未刪除(即該處膠層未出現(xiàn)裂紋)，隨著拉伸載荷的增加，膠層單元的剝離應(yīng)變和剪切應(yīng)變的增速繼續(xù)增大；③剛度退化指數(shù)達(dá)到1，此階段膠層單元剛度退化到0，膠層單元被刪除，該處膠層出現(xiàn)裂紋，失去了承載能力，應(yīng)變已不能恢復(fù)。

圖6為膠層3上首先發(fā)生損傷的膠層單元的應(yīng)變(剝離應(yīng)變E33、剪切應(yīng)變E13)與剛度退化指數(shù)隨載荷的變化關(guān)系。從圖6可知，膠層3上的膠層單元的應(yīng)變變化也分為3個階段，變化規(guī)律同膠層1。

圖6 加載過程中膠層3應(yīng)變與剛度退化指數(shù)變化曲線

綜合以上分析可知，當(dāng)膠層未發(fā)生損傷時，所有膠層單元均未發(fā)生剛度退化，隨著拉伸載荷的增加，膠層單元的剝離應(yīng)變和剪切應(yīng)變呈線性增大；當(dāng)膠層出現(xiàn)損傷時，損傷處的膠層單元發(fā)生剛度退化，隨著拉伸載荷的增加，損傷處的膠層單元剝離應(yīng)變和剪切應(yīng)變的增速變大，直到膠層產(chǎn)生裂紋，此時膠層單元的剝離應(yīng)變和剪切應(yīng)變均達(dá)到最大值。

1.4.3 T型膠接接頭位移分析

圖7為碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭位移隨載荷的變化曲線。圖7中實線為T型膠接接頭位移曲線，虛線為位移線性增大的趨勢線。

圖7 CFRP T型膠接接頭位移隨載荷的變化曲線

從圖7可以看出，當(dāng)載荷在0～675 N范圍內(nèi)時，碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭所有膠層均未出現(xiàn)損傷，此時碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭的位移隨載荷增大呈線性增大；當(dāng)載荷超過675 N后，碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭出現(xiàn)損傷，部分膠層發(fā)生剛度退化，碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭的位移增速隨載荷增加而增大，但起初損傷不明顯，位移增速增大不明顯，隨著載荷進(jìn)一步增大，膠層出現(xiàn)裂紋，位移的增速增大更加明顯。

2 碳纖維復(fù)合材料T型接頭拉伸試驗

2.1 試驗過程

碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭試驗在DLL100系列萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗件分為3件，加載方式為沿試驗件軸向以10 N/s的拉伸速度勻速施加拉伸載荷，直至試驗件出現(xiàn)明顯裂紋停止加載[12]。試驗過程中，當(dāng)拉力加載到一定值后，試驗件發(fā)出清脆響聲，但未見裂紋，隨著拉力進(jìn)一步加大，試驗件再次發(fā)出響聲，同時出現(xiàn)明顯裂紋。

碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭裂紋的產(chǎn)生位置如圖8所示。裂紋起始于連接L型板與蒙皮的膠層處，向蒙皮左右兩端進(jìn)行擴(kuò)展，這與仿真分析得到裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展過程一致。

圖8 CFRP T型膠接接頭裂紋產(chǎn)生位置

2.2 試驗結(jié)果分析

對萬能試驗機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到加載過程中試驗件位移隨載荷的變化曲線如圖9所示。其中實線為仿真分析得到T型膠接接頭的位移-載荷曲線，虛線、點(diǎn)線、點(diǎn)劃線分別為試驗件1、2、3在加載過程中的位移-載荷曲線。

圖9 位移-載荷曲線試驗值與仿真值的比較

由圖9可知，加載過程中，3個試驗件的位移首先隨著載荷的增加呈線性增大趨勢，當(dāng)載荷增大到一定值時，3個試驗件的位移隨著載荷的增加不再呈線性增大趨勢，其位移的增速開始增大。這與仿真所得的位移隨載荷變化的趨勢一致。

圖10為3個試驗件位移-載荷曲線，實線為各試驗件的位移-載荷曲線，虛線為損傷前的線性趨勢線，其反映了CFRP T型膠接接頭的損傷情況。

圖10 試驗件位移-載荷曲線

由圖10(a)可知，當(dāng)載荷在0～680 N范圍內(nèi)時，試件1的位移隨載荷增大呈線性增大，這表明此過程中試件1的膠層剛度未發(fā)生退化，膠層未出現(xiàn)損傷；當(dāng)載荷超過680 N后，試件1的位移增速隨著載荷增大而增大，這表明此時試件1的膠層剛度發(fā)生退化，膠層出現(xiàn)損傷，并且隨著載荷增大，試件1的膠層剛度退化越來越明顯，膠層損傷越來越嚴(yán)重。同理，由圖10(b)和圖10(c)可得，試件2和試件3的損傷起始載荷分別為690 N和750 N。

3個試驗件的損傷產(chǎn)生時載荷試驗值與仿真值的對比如表4所示。由表4可知，根據(jù)T型膠接接頭位移隨載荷的變化得出的損傷產(chǎn)生點(diǎn)與仿真存在一定的誤差，但仍在合理范圍內(nèi)。誤差產(chǎn)生的原因主要有：手工膠接時膠接精度和質(zhì)量較低；試驗時存在一定的裝配誤差，導(dǎo)致附加力矩的產(chǎn)生。

表4 試驗件損傷產(chǎn)生時載荷的試驗值與仿真值對比

綜合以上分析可知：試驗中碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭損傷過程中位移隨載荷的變化趨勢與仿真一致；可通過碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭位移隨載荷的變化來判斷T型膠接接頭的初始損傷載荷。

3 結(jié)論

(1)碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭受到面外拉伸載荷時的損傷首先發(fā)生在連接蒙皮與L型板的膠層。

(2)膠層單元未發(fā)生剛度退化時，隨著拉伸載荷的增大，膠層單元的剝離應(yīng)變和剪切應(yīng)變線性增大；膠層單元發(fā)生剛度退化時，隨著拉伸載荷的增加，膠層單元的剝離應(yīng)變和剪切應(yīng)變的增速明顯增快，直到膠層單元完全破壞，此時膠層單元的剝離應(yīng)變和剪切應(yīng)變達(dá)到最大值。

(3)在膠層未出現(xiàn)損傷時，隨著載荷的增加，T型接頭的位移呈線性增大；當(dāng)載荷達(dá)到一定值之后，碳纖維復(fù)合材料T型膠接接頭的膠層開始出現(xiàn)損傷時，T型接頭位移的增速開始變快；隨著損傷越來越嚴(yán)重，膠層出現(xiàn)裂紋，位移的增速變得越來越快。