搭接長度對CFRP單搭接膠接接頭剩余強度影響研究

趙明明，胡業(yè)發(fā)，張錦光，洪 濤

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學 先進材料制造技術與裝備研究院，湖北 武漢 430070)

近年來碳纖維復合材料因其比強度大、比模量高、抗疲勞性好、可設計性強等特點被廣泛應用在汽車主承力和次承力結構件上。汽車在實際的使用中，往往會受到?jīng)_擊載荷的作用，CFRP(carbon fiber reinforced polymer/plastic)結構的強度會出現(xiàn)一定程度的下降對其力學性能造成了威脅。研究表明，低速沖擊作用后，CFRP結構的強度會出現(xiàn)一定程度的下降，嚴重時會高達60%[1]，給CFRP結構的使用性能帶來了嚴重的威脅。因此對CFRP膠接接頭低速沖擊的研究十分重要。

對于復合材料膠接接頭的低速沖擊及剩余強度分析問題的研究主要分為3個方面：一是復合材料膠接接頭的基礎理論研究；二是復合材料膠接接頭的低速沖擊損傷研究；三是含低速沖擊損傷復合材料膠接接頭的剩余強度研究。有限元分析方法在研究膠接接頭的損傷行為問題上具有明顯優(yōu)勢。目前使用最多的內(nèi)聚力模型(cohesive zone model，CZM)，是損傷力學模型的一種。趙寧[2]、楊小輝[3]使用內(nèi)聚力模型，研究了膠接接頭的損傷行為；Floros[4]分別對I型、II型和混合型這3種斷裂模式下膠接接頭的損傷行為進行了分析，預測了膠接接頭的強度；Shojaeefard[5]在ABAQUS軟件中編寫了用戶子程序，使用內(nèi)聚力模型模擬膠層，分析得到了單搭接膠接接頭的強度。當前，學者們普遍采用試驗和有限元分析方法來研究膠接接頭的低速沖擊問題。Vaidya[6]、李智[7]、Zhang[8]等學者研究發(fā)現(xiàn)：橫向沖擊作用下膠層的應力集中程度很高，當膠接接頭需承受橫向沖擊載荷時，膠層屬于薄弱環(huán)節(jié)，需重點關注。Park等[9]發(fā)現(xiàn)：能使復合材料膠接接頭損傷面積急劇增加的沖擊能量存在閾值，沖擊能量的大小低于此閾值時，膠接接頭內(nèi)部的損傷面積很小。Choudhry等[10]研究了搭接長度對接頭損傷模式的影響，發(fā)現(xiàn)搭接長度有一定的特征范圍，不同的搭接長度會導致不同的損傷模式。Hoshi等[11]研究了斜搭接膠接接頭搭接角對沖擊后膠接接頭剩余拉伸強度的影響。Sun[12]研究了沖擊次數(shù)與CFRP單搭接膠接接頭剩余剛度、剩余強度之間的關系，得到膠層邊緣是膠接結構的薄弱環(huán)節(jié)的結論。

從上述文獻可知，針對復合材料膠接接頭的靜態(tài)性能和低速沖擊問題，學者們已開展了較為深入的研究。但對于CFRP膠接接頭低速沖擊和剩余強度的全程分析研究很少?；诖耍P者以CFRP單搭接膠接接頭為研究對象，開展低速沖擊和剩余強度的仿真研究和試驗研究，研究搭接長度對膠接接頭沖擊響應和剩余強度的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

使用ABAQUS軟件，完成了CFRP單搭接膠接接頭低速沖擊與剩余拉伸強度的全程分析。

1.1 低速沖擊仿真研究

1.1.1 低速沖擊仿真模型

CFRP單搭接膠接接頭尺寸如圖1所示，其低速沖擊模型包括沖頭、被粘件、墊板和膠層。沖頭為鋼制半球形沖頭，直徑16 mm，質(zhì)量1.5 kg。被粘件和墊板即CFRP層合板，使用的材料為FAW200RC38預浸布，具體參數(shù)如表1所示，鋪層方案參照ASTM D7136/D7136M-12標準中的[45/0/-45/90]s。膠層材料為Araldite?2015，膠粘劑材料屬性如表2所示。

圖1 CFRP單搭接膠接接頭尺寸圖

表1 FAW200RC38的材料屬性

表2 Araldite?2015的材料屬性

CFRP被粘件使用偏移方式生成0.19 mm厚連續(xù)殼單元和0.01 mm界面層單元。參考文獻[13]賦予層間單元樹脂材料屬性，如表3所示。

表3 層間界面層單元的材料屬性

為了簡化分析，CFRP墊板只建立8層0.2 mm厚的面內(nèi)單元。裝配好后的有限元模型如圖2所示。

圖2 膠接接頭低速沖擊有限元模型

膠接接頭各處應用Tie的接觸形式。沖頭賦予剛體屬性，將質(zhì)量施加到參考點上。接觸屬性是通用接觸，摩擦系數(shù)為0.1。

約束接頭下表面所有節(jié)點全部自由度。約束沖頭沿下落方向平動外的其它自由度。根據(jù)能量和沖頭質(zhì)量，設定初始速度。

1.1.2 低速沖擊仿真結果

4 J沖擊能量作用下CFRP單搭接膠接接頭沖擊部位云圖如圖3所示。

圖3 沖擊部位云圖

仿真得到4 J沖擊能量作用下膠接接頭的損傷參數(shù)，如圖4所示。

圖4 沖擊能量下沖擊損傷參數(shù)

1.2 拉伸強度仿真研究

1.2.1 剩余強度仿真模型

拉伸有限元模型與低速沖擊有限元模型基本一致，刪掉沖頭及相關接觸屬性。約束A端30 mm區(qū)域全部自由度以及B端30 mm區(qū)域除水平方向(X)外的全部自由度。在B端建立參考點，將端面與參考點建立耦合，施加X方向位移載荷，如圖5所示。

圖5 CFRP單搭接膠接接頭強度有限元模型

使用數(shù)據(jù)傳遞功能，將沖擊損傷狀態(tài)導入拉伸仿真模型中，以實現(xiàn)全程分析。

1.2.2 拉伸強度仿真結果

對不同搭接長度CFRP單搭接膠接接頭在無損和4 J沖擊能量沖擊后的剩余拉伸強度進行研究。

隨著位移的施加，膠層的SDEG指數(shù)會逐漸變化，搭接長度為20 mm的無損膠接接頭不同載荷下SDEG云圖如圖6所示。

圖6 無損CFRP單搭接膠接接頭膠層SDEG云圖

當載荷達到1 320 N時，膠層兩端開始出現(xiàn)損傷。隨著載荷增加，損傷越來越嚴重并向中部擴展，載荷達到3 696 N時，膠層所有區(qū)域都出現(xiàn)了初始損傷。由6(c)圖還可看出，膠層左右兩端的SDEG指數(shù)并不呈軸對稱，這是因為當載荷由被粘件傳遞到膠層時，膠層受力方向與最靠近膠層的CFRP單層的鋪層角度(45°)相近。當載荷達到4 564 N時，膠層所有區(qū)域的SDEG值都超過了0.9，載荷無法繼續(xù)增加，膠層完全失效。

3種搭接長度低速沖擊損傷接頭與無損接頭載荷-位移曲線對比如圖7所示。

圖7 無損和低速沖擊損傷CFRP單搭接膠接接頭的強度對比

無損膠接接頭的失效載荷隨搭接長度變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨搭接長度的增加，膠接接頭的失效載荷也增加，但是增長幅度會逐漸下降。

圖8 無損膠接接頭失效載荷

3種搭接長度低速沖擊損傷接頭與無損接頭拉伸強度如表4所示。

表4 不同搭接長度膠接接頭拉伸強度

由表4可知，4 J能量沖擊作用后，3種搭接長度膠接接頭的拉伸強度均會出現(xiàn)下降。可以發(fā)現(xiàn)：隨著搭接長度的增加，強度比會逐漸增加，當搭接長度從20 mm增加到30 mm時強度比增加比較明顯，從30 mm增加到40 mm時強度比增加幅度較小。

由分析結果可知：CFRP單搭接膠接接頭的強度比隨著搭接長度的增加逐漸增加，搭接長度增加到30 mm時，強度比達到80%左右，趨于穩(wěn)定。此時膠接接頭的剩余拉伸強度比較高，能承受比較大的載荷。

2 試驗研究

2.1 試驗件制作

CFRP被粘件及墊板采用的工藝為預浸料模壓成型工藝。再用Araldite?2015膠粘劑進行膠接得到CFRP單搭接膠接接頭,接頭的基本參數(shù)及編號如表5所示。

表5 CFRP單搭接膠接接頭試驗件的基本參數(shù)

2.2 試驗過程

采用的低速沖擊試驗方法為落錘沖擊。沖擊試驗裝置為BMC-B1落錘沖擊試驗機。

拉伸試驗在電子萬能試驗機上進行。安裝時夾持接頭兩端，未夾持區(qū)域長度為120 mm，測試時的加載速度為0.2 mm/min。

2.3 試驗結果

以20 mm搭接長度的無損膠接接頭試驗件為例，膠接接頭失效模式如圖9所示。

圖9 無損試驗件的拉伸失效模式

由圖9可知，無損膠接接頭的失效模式主要為內(nèi)聚失效，即膠層因剪切強度不夠而在內(nèi)部出現(xiàn)破壞。

將無損膠接接頭在仿真和試驗得到的載荷-位移曲線進行比較，如圖10所示。從圖10可知，試驗件失效位移都比仿真值大，這是由于試驗夾持端的輕微滑動造成的。計算得到無損接頭的試驗與仿真拉伸強度結果如表6所示。誤差10%左右，在合理范圍內(nèi)。

圖10 無損膠接接頭仿真與試驗載荷-位移曲線

表6 無損接頭的試驗與仿真結果對比

以搭接長度為20 mm的試驗件為例，沖擊后試驗件的表面損傷情況如圖11所示。

圖11 搭接長度為20 mm的試驗件沖擊部位圖

在4 J沖擊能量下，3種搭接長度的膠接接頭試驗件的拉伸失效模式如圖12所示。由圖12可知，含沖擊損傷膠接接頭拉伸失效模式也主要為膠層的內(nèi)聚失效，且沖擊載荷都對膠層造成了一定程度的損傷。

圖12 含沖擊損傷試驗件的拉伸失效模式

4 J能量沖擊后，不同搭接長度的膠接接頭拉伸載荷-位移曲線如圖13所示。

圖13 含沖擊損傷試驗件的載荷-位移曲線

根據(jù)圖13計算得到剩余拉伸強度，與仿真值進行對比結果如表7所示。由表7可知，含低速沖擊損傷接頭在試驗中獲得的剩余拉伸強度平均值也均小于仿真值，最大誤差為15.2%。

表7 含沖擊損傷試驗件試驗與仿真結果對比

3 結論

以CFRP單搭接膠接接頭為研究對象，采用有限元分析和試驗相結合的研究方法，研究了搭接長度對含低速沖擊損傷膠接接頭剩余強度的影響規(guī)律，結論如下：

(1)拉伸載荷下CFRP單搭接膠接接頭的失效位置發(fā)生在膠層，損傷由兩端向中部擴展，擴展方向近似等于最靠近膠層的CFRP單層的角度。

(2)隨著搭接長度的增加，無損膠接接頭的拉伸強度會增加，在相同的沖擊載荷下的剩余拉伸強度也會增加。

(3)CFRP單搭接膠接接頭的強度比隨著搭接長度的增加逐漸增加，搭接長度增加到30 mm時，強度比達到80%左右，并趨于穩(wěn)定，不再隨著搭接長度的增加大幅上升,此時膠接接頭能承受比較大的載荷。