表面凹槽對(duì)CFRP-鋼管類接頭膠接強(qiáng)度的影響

楊宏城，張錦光，馬澤超

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

碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastic，CFRP)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、臨界轉(zhuǎn)速高、抗疲勞性能強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)逐漸替代傳統(tǒng)金屬。CFRP與金屬的膠接連接因其效率高、結(jié)構(gòu)輕、應(yīng)力分布均勻、制造工藝經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)已廣泛用于汽車、航空航天等工程領(lǐng)域，因而復(fù)合材料膠接方面的研究十分重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料與金屬管類膠接接頭的研究主要通過解析法、有限元法和試驗(yàn)法。Adams等[1]最早得出了扭轉(zhuǎn)載荷下膠層剪切應(yīng)力的數(shù)值表達(dá)；關(guān)志東[2]和Je Hoon Oh等[3]驗(yàn)證了扭轉(zhuǎn)載荷下膠層應(yīng)力分布的簡(jiǎn)化公式，建立了復(fù)合材料管類接頭的平衡方程，并對(duì)膠層進(jìn)行了非線性分析；趙寧[4]和楊小輝[5]等在有限元中使用Tsai-Wu準(zhǔn)則判定復(fù)合材料的纖維和基體破壞，使用內(nèi)聚力界面單元模擬膠接界面層，以膠接接頭應(yīng)力云圖、界面層失效參數(shù)SDEG( stiffness degradation)分布圖表征接頭的受力和損傷過程；在試驗(yàn)方面，眾多學(xué)者對(duì)溫度、塔接長(zhǎng)度、復(fù)合材料鋪層、濕熱老化等因素對(duì)接頭力學(xué)性能進(jìn)行過研究[6-8]。

筆者研究金屬表面不同半徑凹槽對(duì)CFRP-鋼管類接頭膠接強(qiáng)度的影響，在金屬表面挖去不同半徑凹槽，一方面改變了膠接面積，根據(jù)Adams等的理論，扭轉(zhuǎn)載荷下膠接面積/膠接長(zhǎng)度與膠層剪切應(yīng)力的表達(dá)式為：

cosh(αz)φsinh(αz)

(1)

由式(1)可知，在其它條件不變的前提下，膠接面積/膠接長(zhǎng)度是引起膠層剪切應(yīng)力分布規(guī)律變化進(jìn)而改變接頭膠接強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，隨著膠接面積的增大，剪切應(yīng)力峰值分布區(qū)域越來越廣，導(dǎo)致接頭的承載能力變強(qiáng)[9]。

另一方面凹槽的設(shè)計(jì)改變了金屬軸頭的扭轉(zhuǎn)剛度，引起膠層兩端材料剛度比變化。影響復(fù)合材料-鋼接頭扭轉(zhuǎn)剛度GIP的因素有剪切模量和極慣性矩。學(xué)者們從這兩個(gè)方面研究了接頭兩端剛度不平衡對(duì)接頭應(yīng)力分布、失效模式的影響，強(qiáng)調(diào)接頭強(qiáng)度取決于較低剛度的材料，膠接時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)盡量縮小被膠接件剛度的差異[10-12]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維復(fù)合材料膠接接頭的研究主要集中在層合板的拉伸性能、剝離性能領(lǐng)域。筆者通過試驗(yàn)研究了金屬膠接表面不同半徑凹槽對(duì)不銹鋼-高模碳纖維復(fù)合材料管類接頭膠接強(qiáng)度的影響，為工程上CFRP管類接頭膠接表面處理工藝提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

研究金屬表面不同半徑凹槽對(duì)CFRP-鋼接頭膠接強(qiáng)度的影響，膠接接頭的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。試驗(yàn)件模型包括金屬法蘭、CFRP軸管和膠粘劑。金屬法蘭的材料選用普通不銹鋼(0Cr18Ni9)，材料參數(shù)如表1所示；CFRP軸管使用的是日本東麗公司的高模M40J材料，與環(huán)氧樹脂復(fù)合后的材料參數(shù)如表2所示，鋪層方案為[(±45/0/±45)3/45]S，其中S表示對(duì)稱鋪層；膠粘劑型號(hào)為RN136N/HN136N，是一種高粘度、雙組份、體積2:1配比的環(huán)氧樹脂膠粘劑，材料屬性如表3所示。

表3 RN136N/HN136N膠粘劑屬性

圖1 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)及尺寸圖

表1 0Cr18Ni9不銹鋼材料參數(shù)表

表2中，E1為縱向彈性模量；E2、E3為橫向彈性模量；v12為12方向的泊松比；v13為13方向的泊松比；v23為23方向的泊松比；G12為12方向剪切模量；G13為13方向剪切模量；G23為23方向剪切模量；由于M40J/環(huán)氧樹脂層合結(jié)構(gòu)在2-3面為各向同性面，因此2向與3向，12方向與13方向的屬性相同。

表2 M40J環(huán)氧樹脂材料參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)與制備

為研究金屬表面不同半徑凹槽對(duì)CFRP-鋼接頭膠接強(qiáng)度的影響，半徑大小設(shè)計(jì)為無凹槽(R0 mm)、R0.5 mm和R1.0 mm 3組，按8°的間隔均勻分布在膠接圓周面上，共45個(gè)凹槽，如圖2所示。3種試驗(yàn)件除凹槽半徑不同外，其余尺寸均相同。

圖2 金屬表面不同半徑凹槽試驗(yàn)件模型

CFRP軸管采用的工藝為預(yù)浸料卷管成型工藝。不銹鋼法蘭膠接面設(shè)置必要的尺寸與配合公差，保證膠接精度。膠接前清洗膠接面，膠接工藝所處環(huán)境室溫為22±5 ℃，膠接后放入干燥箱中進(jìn)行固化。每種凹槽半徑的試驗(yàn)件加工5個(gè)，加工完成的試驗(yàn)件如圖3所示。

圖3 不同半徑凹槽試驗(yàn)件

1.3 膠接接頭扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

使用PWN-30電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試，加載速率為0.5 Deg/s。以膠層失效扭矩作為評(píng)價(jià)該接頭膠接強(qiáng)度的指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

扭轉(zhuǎn)過程中隨著轉(zhuǎn)角不斷加載，扭矩示數(shù)逐漸增大，當(dāng)扭矩增大至一定值后，試件會(huì)發(fā)出清脆的響聲，且有膠粘劑溢出和脫落，如圖4所示，而CFRP軸管和不銹鋼法蘭無明顯破壞，判斷該失效為膠層失效。

圖4 試驗(yàn)件膠層失效

記錄所有金屬表面不同半徑凹槽試驗(yàn)件膠層失效扭矩?cái)?shù)據(jù)，共15個(gè)數(shù)據(jù)，由于膠接連接的離散性和不可控性，去掉每一組的最高值和最低值，保留中間3組數(shù)值，再取平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 不同半徑凹槽下的膠層失效扭矩值

從表4可知，金屬表面無凹槽試驗(yàn)件的平均失效扭矩值為1 903 N·m，在表面挖去半徑為0.5 mm的凹槽后平均失效扭矩提高到2 069 N·m；在表面挖去半徑為1.0 mm的凹槽后平均失效扭矩下降到1 808 N·m。

選擇膠接強(qiáng)度變化率作為金屬表面R0.5 mm和R1.0 mm凹槽對(duì)CFRP傳動(dòng)軸膠接強(qiáng)度影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別計(jì)算各種情況下膠接強(qiáng)度變化率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同半徑凹槽下膠層失效扭矩值和膠接強(qiáng)度變化率

從圖5可知，在金屬表面挖去不同半徑凹槽對(duì)CFRP-鋼接頭膠接強(qiáng)度有一定的影響，當(dāng)凹槽半徑為0.5 mm時(shí)，相比無凹槽接頭，其膠接強(qiáng)度提高了8.73%；當(dāng)凹槽半徑為1.0 mm時(shí)，相比無凹槽接頭，其膠接強(qiáng)度降低了4.97%。

3 分析與討論

3.1 膠接面積計(jì)算

金屬表面不同半徑凹槽會(huì)改變膠接面積，根據(jù)Adams等的理論，會(huì)影響到膠層剪切應(yīng)力的分布，進(jìn)而影響膠接強(qiáng)度。圖6為不同半徑凹槽下的膠接總面積。從圖6可知，無凹槽試驗(yàn)件膠接面積最小，凹槽半徑為0.5 mm試驗(yàn)件相對(duì)無凹槽試驗(yàn)件膠接總面積提升9.2%，凹槽半徑為1.0 mm試驗(yàn)件相對(duì)無凹槽試驗(yàn)件膠接總面積提升18.3%。

圖6 不同凹槽半徑下膠接總面積

3.2 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

金屬表面不同半徑凹槽會(huì)改變金屬軸頭的扭轉(zhuǎn)剛度，按照式(2)計(jì)算不同半徑凹槽下的不銹鋼軸頭的扭轉(zhuǎn)剛度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同半徑凹槽下不銹鋼軸頭扭轉(zhuǎn)剛度

(2)

式中:G為不銹鋼剪切模量；IP為極慣性矩，ρ為橫截面上微元到原點(diǎn)的距離，A為微元面積。

從圖7可知，無凹槽試驗(yàn)件其扭轉(zhuǎn)剛度最大，表面挖槽會(huì)導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)剛度的下降，凹槽半徑為0.5 mm試驗(yàn)件相對(duì)無凹槽試驗(yàn)件扭轉(zhuǎn)剛度下降6.6%，凹槽半徑為1.0 mm試驗(yàn)件相對(duì)無凹槽試驗(yàn)件扭轉(zhuǎn)剛度下降26.3%。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中復(fù)合材料軸管扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算方法計(jì)算出本研究中CFRP軸管的扭轉(zhuǎn)剛度為78 082 N·m2，與不同半徑凹槽不銹鋼軸頭的扭轉(zhuǎn)剛度的比值如表5所示。

表5 不同半徑凹槽軸頭與CFRP軸管GIP比值

3.3 原因分析

雖然試驗(yàn)件表面凹槽半徑從無凹槽到R0.5 mm再到R1.0 mm，膠接面總面積逐漸提高，但同時(shí)挖去不同半徑的凹槽會(huì)導(dǎo)致不銹鋼軸頭扭轉(zhuǎn)剛度下降，破壞不銹鋼軸頭與CFRP軸管剛度平衡的條件，造成膠接強(qiáng)度一定程度的下降，以上兩種影響膠接接頭強(qiáng)度因素的共同作用導(dǎo)致了如表4和圖5所示的試驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)凹槽半徑為0.5 mm時(shí)，膠接面積提升占主導(dǎo)因素，膠接強(qiáng)度相對(duì)無凹槽試驗(yàn)件有一定提升；而當(dāng)凹槽半徑為1.0 mm時(shí)，不銹鋼軸頭扭轉(zhuǎn)剛度的下降占主導(dǎo)因素，膠接強(qiáng)度相對(duì)無凹槽試驗(yàn)件反而下降。

4 結(jié)論

金屬膠接表面挖去不同半徑凹槽，其膠接強(qiáng)度受到膠接面積增加和扭轉(zhuǎn)剛度降低雙重因素的影響。凹槽半徑為0.5 mm時(shí)，膠接面積的提升是影響膠接強(qiáng)度的主要因素，相對(duì)無凹槽接頭膠接強(qiáng)度提升了8.73%；凹槽半徑為1.0 mm時(shí)，不銹鋼軸頭扭轉(zhuǎn)剛度的下降是影響膠接強(qiáng)度的主要因素，相對(duì)無凹槽接頭膠接強(qiáng)度下降了4.97%。故只有在金屬表面設(shè)置合理大小的凹槽才有助于復(fù)合材料接頭膠接強(qiáng)度的提升。