復(fù)合材料單搭膠結(jié)接頭剪切試驗(yàn)及應(yīng)力分析

張少鋒，張 博，羅琴,歐 永

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.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；3.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610 4.泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，泰州 225500）

引言

輕質(zhì)、高比剛度、高比強(qiáng)度的先進(jìn)復(fù)合材料在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是航空航天領(lǐng)域，先進(jìn)復(fù)合材料在飛行器上應(yīng)用的部位和用量已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性和民機(jī)技術(shù)與市場競爭力的重要指標(biāo)之一。受設(shè)備和工藝的限制，某些大尺寸異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)一體化成型，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體性和載荷有效傳遞，復(fù)合材料連接技術(shù)必不可少。目前研究的連接方式主要包括機(jī)械連接、膠結(jié)和焊接3種，其中焊接不適用于復(fù)合材料，主要應(yīng)用的是前兩種。前者承載能力強(qiáng)，且可重復(fù)裝配和拆卸，一般用于連接主承力結(jié)構(gòu)，但是存在鉆孔引起纖維連續(xù)性的破壞、孔周應(yīng)力集中及易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而膠接結(jié)構(gòu)可以在不損傷材料強(qiáng)度的前提下，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時可以保持飛行器表面的平滑，具有結(jié)構(gòu)輕、應(yīng)力分布均勻等特點(diǎn)[1-4]，如空客A350和波音787機(jī)體連接結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料膠結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用均超過了50 %。另外，從文獻(xiàn)報道來看，先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在服役過程中60-85 %的失效都發(fā)生在連接處，因此，如何準(zhǔn)確的計(jì)算復(fù)合材料膠結(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)樣品

圖1 試驗(yàn)用雙搭板膠接件樣件

研究對象為基材板為CCF300/QY8911材料的無支撐單面搭接膠接件，樣件初始形貌如圖1所示。搭接板為復(fù)合材料層板，碳纖維為國產(chǎn)CCF300，樹脂基體為QY8911，經(jīng)固化成型冷卻后形成層板，預(yù)浸料厚度約為0.12 mm，鋪層共計(jì)24層，鋪設(shè)次序[+45/0/-45/90]3 s；膠黏劑選用BMS 5-101。層板和膠黏劑的基礎(chǔ)物理性能見表1。

1.2 試驗(yàn)及分析方法

1.2.1 剪切破壞試驗(yàn)

復(fù)合材料單搭膠接接頭剪切破壞試驗(yàn)參考GB/T 7124-2008，拉伸試驗(yàn)機(jī)型號為MTS 810-100kN，加載橫梁移動速度為2 mm/min，為了使復(fù)合材料不被卡具壓壞，在試樣端部與試驗(yàn)機(jī)接觸面黏貼加強(qiáng)片，加強(qiáng)片通過剪切應(yīng)力傳遞實(shí)現(xiàn)加載。

1.2.2 膠層應(yīng)力理論分析

復(fù)合材料單搭膠接接頭剪切應(yīng)力可以采用解析方法求得理論解，本部分采用Her[5]提出的不考慮偏心載荷影響的單搭接接頭的應(yīng)力計(jì)算方法，計(jì)算不同區(qū)域的膠層的剪切應(yīng)力值，分析膠黏劑最大應(yīng)力區(qū)域和變化規(guī)律。

1.2.3 有限元計(jì)算

有限元計(jì)算方面，選用大型非線性有限元軟件ABAQUS 6.13-4計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

2 結(jié)果分析

2.1 剪切破壞試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 加載-位移曲線

剪切破壞試驗(yàn)過程中的載荷和位移變化如圖2所示，從曲線中可以看出，載荷隨著位移的增加近似成線性增加，達(dá)到極限值后迅速下降，試樣斷裂。

表1 材料基本力學(xué)性能參數(shù)

計(jì)算膠黏層的平均應(yīng)力，膠黏層平均剪切應(yīng)力為：

代入Pmax=5.58 kN；b=25 mm；l=25 mm；得到膠黏層的平均剪應(yīng)力為8.9 MPa。

2.1.2 斷口形貌分析

為了觀察無支撐單搭板膠接接頭的斷裂模式，觀察剪切破壞后的斷口形貌，如圖3所示。從圖中可以看到，斷裂區(qū)域主要是在膠黏劑和層板接觸的界面脫粘開裂，未發(fā)現(xiàn)膠黏劑層的內(nèi)聚破壞，表明膠層與復(fù)合材料粘結(jié)界面區(qū)域是強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)易在此發(fā)生破壞。

2.2 理論計(jì)算分析

圖2 無支撐單面膠結(jié)件拉伸試驗(yàn)載荷-位移曲線

圖3 無支撐單搭板膠結(jié)接頭剪切斷口形貌

剪切試驗(yàn)結(jié)果分子可以獲得到膠黏層的平均應(yīng)力，無法得到膠黏層不同區(qū)域的應(yīng)力情況，而理論解析方法可以通過假設(shè)簡化、平衡方程、形變協(xié)調(diào)等控制方程，獲得膠黏層的應(yīng)力情況。本部分將理論解析方法應(yīng)用于無支撐單面搭接膠結(jié)接頭的應(yīng)力分析，計(jì)算其應(yīng)力狀態(tài)。為了簡化分析，假設(shè)搭接板的厚度足夠小，忽略彎曲變形的影響，采用Her[5]提出的不考慮偏心載荷影響的單搭接接頭的應(yīng)力分析方法，該方法采用如下基本假設(shè)：①膠層很薄，膠層中的剪應(yīng)力沿厚度方向?yàn)槌Ｖ?，僅為坐標(biāo)x的函數(shù)；②搭接板中的縱向應(yīng)力在搭接板的厚度方向?yàn)槌Ｖ?，也只是坐?biāo)x的函數(shù)；③搭接板和膠層都是線彈性的，接頭端部的彎矩忽略不計(jì)。

采用該方法得到上下兩個搭接板所受的拉力及其膠層中的剪應(yīng)力，分別為：

式中mτ為膠黏層的平均剪應(yīng)力；P為無支撐單接搭接頭單位寬度所受的拉力；ti、Ei、Gi、to、Eo和Go分別為上下搭接板的厚度、等效抗拉模量和等效抗剪模量；η是膠黏層厚度；l為膠黏區(qū)域長度；C是膠黏層總長度的一半；Ea和Ga分別為膠黏劑的拉伸模量和剪切模量。

取P=223.2 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)代入到上式中，得到膠黏層不同區(qū)域的應(yīng)力變化如圖4所示?？梢钥闯觯瑥哪z結(jié)中間區(qū)域到端部，膠層剪切應(yīng)力有2.04 MPa將升高至最大值30.42 MPa，整個膠結(jié)區(qū)域的平均應(yīng)力約為9.5 MPa，與試驗(yàn)測試結(jié)果8.9 MPa非常接近，該理論分析模型可以對無支撐單面膠結(jié)結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

2.3 仿真模擬結(jié)果

膠結(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)成為研究者的熱點(diǎn)關(guān)注問題[6-8]，主要包括試驗(yàn)方法、理論分析和數(shù)值仿真3種。試驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確的獲得結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，受測試設(shè)備限制，存在大尺寸結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的問題；而理論解析方法也只能針對簡單結(jié)構(gòu)，并且需要假設(shè)條件，可能與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)存在偏差。有限元方法可以解決上述兩種方法的劣勢，目前主要從2D和3D有限元分析[9-12]方法研究此問題。

圖4 膠層剪切應(yīng)力理論解變化趨勢

本部分通過對單面膠結(jié)結(jié)構(gòu)建立3D有限元模型，膠結(jié)單搭膠結(jié)接頭包括由兩塊復(fù)合材料層合板、膠黏層經(jīng)過高溫固化成型，其中復(fù)合材料為各向異性材料，膠層屬于粘彈性材料，該結(jié)構(gòu)在拉伸外力作用下，通過加強(qiáng)片與復(fù)合材料層合板間產(chǎn)生的剪切力傳遞荷載至膠黏層區(qū)域，復(fù)合材料層板整體處于拉伸載荷作用,膠黏劑處于剪切應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力大小受到基材板和膠黏劑的材料、層板鋪設(shè)順序、樣件幾何特征、載荷量值及類型、膠黏區(qū)質(zhì)量、膠黏層的厚度等。在理論解析過程中，使用了多個簡化條件，并且忽略了拉伸作用下引起的偏心問題，而有限元分析方法可以實(shí)現(xiàn)更貼近工況實(shí)際的建模，本部分通過有限元分析方法計(jì)算單搭板膠結(jié)接頭的應(yīng)力狀態(tài)，并分析與試驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果的差異。

單面搭接結(jié)構(gòu)幾何模型比較簡單，采取全尺寸模型對樣件建模，利用有限元分析軟件ABAQUS 6.13分別對含上下復(fù)合材料層板、膠黏層和加強(qiáng)片進(jìn)行三維建模，整體結(jié)構(gòu)模型見圖5；定義復(fù)合材料層板和膠黏層的材料特性，為了分析方便，將基材板、膠黏層和加強(qiáng)片均假定為線彈性材料，基本力學(xué)性能參數(shù)參見表1；邊界條件施加形式為一端固定，另一端實(shí)現(xiàn)加載；對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型選擇3維8節(jié)點(diǎn)縮減積分單元C3D8R，3D有限元模型見圖6。

通過有限元求解器分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，得到膠黏層的剪切應(yīng)力狀態(tài)如圖7所示。剪應(yīng)力從粘結(jié)層左端到右端成對稱分布，對稱面處剪切應(yīng)力最低，兩端剪切應(yīng)力最高，該趨勢和理論預(yù)報結(jié)果一致。通過節(jié)點(diǎn)剪切應(yīng)力得到膠層區(qū)域的平均剪切應(yīng)力為9.2 MPa，與理論計(jì)算的9.5 MPa和試驗(yàn)值8.9 MPa結(jié)果接近，可以實(shí)現(xiàn)膠層剪切應(yīng)力的準(zhǔn)確預(yù)報。

圖5 復(fù)合材料無支撐單面膠接結(jié)構(gòu)幾何模型

圖6 復(fù)合材料無支撐單面膠接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖7 膠層剪切應(yīng)力云圖

圖8 膠層正應(yīng)力云圖

膠黏層的拉應(yīng)力狀態(tài)見圖8，結(jié)果表明拉應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在膠結(jié)區(qū)域端部，該處成為結(jié)構(gòu)主要的應(yīng)力集中部位，當(dāng)剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的最大值大于膠黏層的結(jié)合力時，將發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

3 討論

膠層剪切應(yīng)力的理論結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果對比情況見圖9，剪應(yīng)力理論解析解和有限元分析結(jié)果的變化趨勢類似，數(shù)據(jù)吻合性較好且誤差不大，在膠黏區(qū)域中部區(qū)域應(yīng)力值低，剪切應(yīng)力極值發(fā)生在膠黏區(qū)域的端部。試驗(yàn)分析表明有限元分析方法可以很好的計(jì)算膠黏層的剪切應(yīng)力，在后續(xù)的應(yīng)力分析工作中，可以通過有限元分析方法對膠結(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)做精確分析，可有效減少試驗(yàn)工作量，節(jié)約試驗(yàn)成本。

4 結(jié)論

本研究通過試驗(yàn)、理論解析和有限元分析方法對復(fù)合材料無支撐單搭接膠結(jié)接頭的剪切應(yīng)力做了相關(guān)分析工作。結(jié)論如下：

1）無支撐單搭接接頭的的破壞為膠黏層與基材板的脫粘破壞，無膠黏層內(nèi)聚破壞；

2）理論解析方法和有限元均可對單搭接結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果一致性好且誤差小，最大剪切應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均發(fā)生在膠黏層端部，應(yīng)力值從樣件中部到端部逐漸增大；

圖 9 剪切應(yīng)力理論值和仿真結(jié)果對比圖

3）結(jié)構(gòu)的破壞模式是由于外載作用下膠黏層內(nèi)部的剪應(yīng)力和拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

4）試驗(yàn)方法、理論解析和有限元分析方法三者結(jié)合可以有效地預(yù)報膠黏層的應(yīng)力狀態(tài)，可對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

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