內(nèi)嵌夾雜層對(duì)復(fù)合材料膠接接頭的影響

鄧穎凡， 崔 旭， 王宇豪

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)民用航空學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

引言

隨著復(fù)合材料在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸越來(lái)越大，因此，必然需要對(duì)不同部件進(jìn)行連接[1]。連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的重要步驟。與傳統(tǒng)的機(jī)械連接相比，膠接具有結(jié)構(gòu)輕、耐損傷腐蝕性好、應(yīng)力分布均勻、高強(qiáng)度質(zhì)量比等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，對(duì)于復(fù)合材料膠接接頭的研究成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)[3]。

膠接可連接具有不同剛度和強(qiáng)度的材料，這導(dǎo)致了更復(fù)雜的斷裂機(jī)理和不對(duì)稱的應(yīng)力分布。單搭接膠接接頭的獨(dú)特結(jié)構(gòu)受力，造成了接頭重疊區(qū)邊緣的高界面應(yīng)力，致使接頭的低強(qiáng)度和快速失效。Kanani 提供了一種改進(jìn)界面剛度的新型異種單搭接接頭。這項(xiàng)研究通過(guò)嵌入離散的AL 貼片來(lái)增強(qiáng)較低剛度被黏物界面，從而大程度地降低峰值應(yīng)力的集中，提高接頭性能[4]。Marchione 通過(guò)在雙搭接黏合接頭的內(nèi)層被黏物植入增強(qiáng)板件來(lái)優(yōu)化接頭以增強(qiáng)強(qiáng)度。結(jié)果表明，加強(qiáng)板的存在可改善內(nèi)部被黏物傳向外部被黏物的應(yīng)力，并且內(nèi)部被黏物的分層，可以顯著降低黏合層中的峰值應(yīng)力[5]。優(yōu)質(zhì)接頭必須要盡可能實(shí)現(xiàn)剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力的均勻分布。

本文研究并分析了一種單搭接膠接接頭，該接頭特征是黏接層內(nèi)嵌有強(qiáng)化夾層。針對(duì)夾雜膠層結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立數(shù)值模型以評(píng)估夾雜鋁層的厚度對(duì)接頭性能的影響。通過(guò)該方法為單搭接接頭設(shè)計(jì)提供一種新的參考形式。

1 有限元模型

1.1 有限元細(xì)節(jié)

在Abaqus 環(huán)境內(nèi)創(chuàng)建了夾雜和純膠接的單搭接黏接三維非線性數(shù)值模型。數(shù)值模型如圖1 所示，純膠接模型與夾雜模型的總黏接層厚度均為0.15 mm，并且在更改夾雜層的厚度參數(shù)時(shí)，始終控制整體黏接層的厚度恒定，結(jié)構(gòu)配置參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)定復(fù)合材料被黏物的正交各向異性行為、黏接劑的線彈性行為和夾雜層的各向同性線彈性[6]，其彈性特性如表2所示。

圖1 純膠接模型和夾雜膠接模型

表1 夾雜模型的接頭結(jié)構(gòu)配置 mm

表2 膠層和夾雜層彈性特性

采用隱式非線性分析方法對(duì)單搭接膠接的拉伸問(wèn)題進(jìn)行求解。在進(jìn)行材料失效等問(wèn)題的計(jì)算中，非線性隱式求解容易出現(xiàn)不收斂的現(xiàn)象。細(xì)密的網(wǎng)格是解決收斂性問(wèn)題的有效方法之一，同時(shí)還能提高計(jì)算結(jié)果的精確性。采用8 節(jié)點(diǎn)線性實(shí)體單元（C3D8R）離散復(fù)合材料母材和夾雜層，單元包含減縮積分和沙漏控制，黏接層被離散成線性內(nèi)聚單元（COH3D8）。軸向拉伸載荷下樣件的邊界條件如下頁(yè)圖2 所示，左端表面限制所有自由度，右端表面限制除縱向位移外的所有自由度，以位移方式施加載荷。

1.2 內(nèi)聚力模型

內(nèi)聚力區(qū)模型（CZM）在模擬黏接層和黏性界面力學(xué)行為方面最為廣泛[7]。在內(nèi)聚區(qū)內(nèi)，應(yīng)力是開(kāi)裂位移的函數(shù)，即張開(kāi)- 開(kāi)裂位移關(guān)系?；陴ぞ蹍^(qū)模型建立膠層損傷模型，接頭黏接區(qū)采用雙線性內(nèi)聚力單元表示漸進(jìn)內(nèi)聚相互作用。一般通過(guò)判斷任一方向上應(yīng)力是否超過(guò)臨界值來(lái)確定內(nèi)聚單元是否出現(xiàn)損傷。假設(shè)不同方向下名義應(yīng)力比值的二次函數(shù)達(dá)到1時(shí)內(nèi)聚單元出現(xiàn)損傷，該標(biāo)準(zhǔn)表示如下[8]：

式中：σn、σs、σt分別為法向、第一剪切方向和第二剪切方向上的牽引應(yīng)力；σn0、σs0、σt0分別為對(duì)應(yīng)方向下的峰值應(yīng)力。在內(nèi)聚雙線性本構(gòu)中，牽引力- 分離曲線下的區(qū)域表示為每種模式下的斷裂能（或臨界能量釋放速率），即牽引力對(duì)相對(duì)位移所做的功，可得式因此，損傷演化由以下方程表示：

式中：Gc.i為單一模式下內(nèi)聚單元完全失效時(shí)的斷裂能。對(duì)于所研究的Hysol EA 9321，使用了文獻(xiàn)中測(cè)定的 材 料 參 數(shù)（σn0=30 MPa，σs0=σt0=50 MPa，Gc.n=0.60 KJ/m2，Gc.s=Gc.t=0.67 kJ/m2），其中第一剪切模型和第二剪切模型的相關(guān)損傷演化參數(shù)是相同的。

2 結(jié)果與討論

將純膠接模型（無(wú)夾雜）與文獻(xiàn)[9]中膠接實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。圖2 為膠接的模擬和實(shí)驗(yàn)載荷- 位移曲線，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的峰值載荷略高于仿真結(jié)果，這與黏合劑的分離強(qiáng)度相關(guān)。內(nèi)聚力單元等效比表征界面間的黏接關(guān)系，其分離強(qiáng)度大于等于膠體屈服強(qiáng)度。因此，在采用兩者相等的情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)略高于有限元計(jì)算結(jié)果，這也說(shuō)明當(dāng)前工作具有一定的安全性。

圖2 單搭接膠接的載荷位移曲線

圖3 為純膠接和夾雜模型的單搭接剪切強(qiáng)度，夾層對(duì)剪切強(qiáng)度的影響較為明顯。剪切強(qiáng)度隨著夾雜層厚度的增加而增加，這與膠層厚度這個(gè)膠接參數(shù)有關(guān)。黏接層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響是非常重要的。夾層厚度的增加使得上下膠層厚度減小，而黏接強(qiáng)度則隨黏接層厚度的增加而減小。此外，剪切強(qiáng)度也與接頭的變形程度有關(guān)，夾雜層的的植入提高了接頭區(qū)的整體剛度。

圖3 膠接和夾雜模型的單搭接剪切強(qiáng)度

圖4、圖5 分別顯示了在下黏接層剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力的有限元結(jié)果，夾雜層對(duì)黏接區(qū)的界面應(yīng)力削弱效果明顯。黏接層的中間區(qū)域的剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力更均勻，重疊區(qū)邊緣的峰值應(yīng)力更高。這是由于偏心加載引起的被黏物旋轉(zhuǎn)和被黏物在邊緣自由端的材料不連續(xù)。此外，由于夾層阻斷造成黏接層不連續(xù)（厚度方向），使得端部的峰值應(yīng)力得到削弱，表現(xiàn)出不對(duì)稱現(xiàn)象。夾雜模型的邊緣應(yīng)力峰值明顯低于純黏接模型，這可以通過(guò)夾雜層改進(jìn)整體黏接層剛度來(lái)解釋，夾雜黏接層的形變需要更多的能量。需要說(shuō)明的是，計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出不對(duì)稱的應(yīng)力分布，這與數(shù)值計(jì)算時(shí)的邊界條件對(duì)稱有關(guān)。在有限元結(jié)果中，相對(duì)于膠接模型的應(yīng)力值，表現(xiàn)最差的夾雜物模型，峰值剪切應(yīng)力降低了約66.15%，剝離應(yīng)力降低了約46.31%。

圖4 夾雜模型載荷位移曲線

圖5 上黏接層剝離應(yīng)力

在黏接接頭建模中使用了內(nèi)聚元素，因此可以可視化表達(dá)黏接接頭失效過(guò)程，并獲得引發(fā)接頭失效的載荷值。內(nèi)聚單元的破壞進(jìn)展通過(guò)標(biāo)量損傷變量SDEG 表示，在0（為損壞）和1（完全損壞）之間變化。在連續(xù)端，黏合劑受到被黏物的約束，出現(xiàn)應(yīng)力集中，并引發(fā)裂紋。

通過(guò)將夾雜物厚度從0.5 mm 增加到1.3 mm，黏合劑的總損傷面積從50.8%減少到44.8%。圖6 分別顯示了膠接和夾雜模型的整體應(yīng)力，夾雜模型中應(yīng)力分布較為均勻。圖7 為剛度損壞變量的可視化表示，指出了損壞區(qū)域的位置和地形。接頭的強(qiáng)度更多地取決于黏合強(qiáng)度。通過(guò)設(shè)計(jì)或修改接頭結(jié)構(gòu)或確定黏合接頭開(kāi)始失效的時(shí)刻，這在使用黏合接頭時(shí)非常重要。

圖6 膠接和夾雜接頭應(yīng)力分布

圖7 膠接和夾雜接頭剛度損傷狀態(tài)

3 結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，采用有限元方法研究具有夾雜層的單搭黏接接頭的結(jié)構(gòu)性能和應(yīng)力分布。重點(diǎn)研究夾層厚度對(duì)接頭性能的影響。結(jié)果如下：

1）夾層使得黏接層的界面應(yīng)力發(fā)生顯著的變化，應(yīng)力分布不對(duì)稱。

2）夾雜模型黏接區(qū)兩端的峰值剪切應(yīng)力明顯低于黏接模型，同時(shí)剪切應(yīng)力分布更加均勻。

3）在保證黏接區(qū)總厚度恒定的情況下，接頭搭接剪切隨夾層的增加而增加。

4）界面剝離應(yīng)力的影響較小，但變化趨勢(shì)與剪應(yīng)力相同。