復合材料膠結結構拉伸試驗及膠層應力分析

任 偉，張少鋒，張 博，胡樂瀚，胡琬婷

（1.海軍駐廣州七五〇廠軍事代表室，廣州 510000； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；3.廣東省電子信息產品可靠性與環境工程技術研究開發中心，廣州 510610；4.廣東省工業機器人可靠性工程實驗室，廣州 510610）

復合材料膠結結構拉伸試驗及膠層應力分析

任 偉1，張少鋒2,3,4，張 博2,3,4，胡樂瀚，胡琬婷

（1.海軍駐廣州七五〇廠軍事代表室，廣州 510000； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；3.廣東省電子信息產品可靠性與環境工程技術研究開發中心，廣州 510610；4.廣東省工業機器人可靠性工程實驗室，廣州 510610）

通過對復合材料雙搭接膠結結構開展單向拉伸試驗，并利用理論和數值仿真方法分析對結構在拉伸狀態下的膠層剪切應力進行。研究結果表明：膠結件的破壞為膠層與搭接板間的脆性脫粘破壞，無膠層內聚破壞，復合材料搭接板局部有分層損傷產生；應力變化趨勢的理論結果和仿真結果一致，數據吻合性好且誤差小，剪切應力最大值發生在膠結端部，變化趨勢從樣件中部到端部先下降再上升；膠結接頭的破壞是由于外載作用下膠層內部的剪切應力和拉應力共同作用的結果。

復合材料；膠接結構；斷口分析；應力分析；仿真模擬

復合材料具備輕質、高比剛度、高比強度及可設計性等優異特性，已在航空航天領域有廣泛應用，由次承力結構逐漸向主承力結構轉變。為了實現載荷傳遞和結構的整體性，復合材料連接必不可少，目前研究的主要連接方式包括機械和膠結兩種。與機械連接相比，膠結結構具備不破壞纖維的連續性、無鉆孔引起的應力集中、不削弱元件承載能力、連接效率高和結構輕等優勢[1～4]，在飛行器復合材料結構連接中占有很大比重，在某些機體結構上，膠結面積甚至超過機身總面積的50 %。然而，在服役過程中，有統計結果顯示，復合材料連接部位是承載的薄弱環節，飛行器結構有70 %以上的破壞都發生在連接部位，因此，準確的計算連接結構的應力狀態成為研究熱點[5～8]，相關研究成果可為飛行器的安全可靠性服役保駕護航。本研究針對復合材料膠結結構的復雜應力狀態，通過試驗研究、理論分析和仿真模擬的方法研究復合材料雙搭板膠接接頭的應力分布及破壞形式。

1 試驗部分

1.1 試驗樣件

本研究選復合材料雙搭板膠接接頭為研究對象，試樣照片如圖1所示。內外搭板材料為復合材料層合板，原材料為碳纖維雙馬樹脂預浸料（CCF300/QY8911），經固化后形成復合材料層合板，單層厚度為0.12 mm，試板共鋪設24層，鋪層順序[+45/0/-45/90] 3 s；膠結連接使用膠膜，型號為BMS 5-101。復合材料與膠膜基本力學性能參數如表1所示。

1.2 試驗方法

圖1 試驗用雙搭板膠接件樣件（a.正面形貌 b.側面形貌）

1.2.1 拉伸試驗

復合材料雙搭膠接接頭拉伸試驗參考GB/T 7124-2008，萬能力學試驗機型號為MTS 810-100kN，加載速度為2 mm/min，為了保護復合材料，在試樣加持端2個表面粘貼加強片，同時加強片可以實現載荷傳遞，復合材料雙搭接接頭拉伸加載示意圖見圖2。

1.2.2 理論分析

復合材料平面膠接連接結構可以采用解析方法求得理論解，本部分采用Tsai等人[9]提出的考慮搭接板剪切變形的雙搭板膠結接頭應力分析方法，計算了膠層不同位置上的剪切應力值。

1.2.3 仿真模擬分析

仿真模擬分析的方面，利用大型有限元商業軟件ABAQUS 6.13-4，通過建立幾何模型、設置材料屬性、邊界加載、網格劃分及分析計算等一系列步驟，計算了膠層不同位置下的應力狀態。

2 試驗結果

2.1 拉伸試驗結果

圖2 復合材料雙搭板膠接件拉伸試驗

表1 材料基本力學性能參數

2.1.1 載荷-位移曲線

拉伸載荷和位移曲線如圖3所示，從圖中可以看出，載荷隨位移近似成線性增長，達到最大值后迅速斷裂。

通過公式計算粘結區的平均應力，膠結層平均剪切應力為：

帶入Pmax=10.37 kN；b = 25 mm；l = 25 mm；得到粘結區的平均剪切應力為8.30 MPa。

2.1.2 斷口分析

為了研究雙搭板膠接接頭的斷裂形式，觀察拉伸破壞后的斷口，如圖4所示。從照片可以看出，斷裂位置主要是在膠膜和復合材料層板接觸的界面開裂，未發現膠層內聚破壞形式，同時在外搭接板上有少量的分層損傷產生，可能是該處在制備過程中存在缺陷引起的。

2.2 理論分析結果

圖3 雙搭板膠結接頭拉伸試驗載荷-位移曲線

圖4 雙搭板膠結接頭拉伸斷口形貌

試驗測試只能得到膠層區域的平均剪切應力，無法獲得膠層不同部位的局部應力狀態，而理論分析可以通過平衡條件、變形協調等控制方程，獲得膠層的應力狀態。本部分通過理論分析求解雙搭接膠結接頭的膠層剪切應力，采用Tsai等人[9]提出的考慮搭接板剪切變形的雙搭板膠結接頭應力分析方法，該方法要求三個假設：①搭接板中的剪應力沿厚度方向是線性變化的；②搭接板和膠層都是線彈性的；③搭接板和膠層是理想膠結狀態。通過應力平衡求得膠層剪應力的表達式：

積分常數A、B為：

且有：

式（4）中τm為膠層中的平均剪應力；P為雙搭接接頭搭接板單位寬度所受的拉力；ti、Ei和Gi分別為內搭接板的厚度、等效拉伸彈性模量和等效剪切彈性模量；to、Eo和Go是上下外搭接板的厚度、等效拉伸彈性模量和等效剪切彈性模量；η是膠層的厚度；l為膠結長度；c是膠結長度的一半；Ea和Ga分別為膠層的彈性模量和剪切模量。

取P = 415.0 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；將上述數據帶入到上式中，得到膠層不同部位的應力變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，膠層剪切應力有19.73 MPa將至1.59 MPa，然后又升至39.37 MPa，平均應力約為8.38 MPa，與試驗測試結果8.30 MPa非常接近，該理論分析模型可以對雙搭板膠接結構應力進行準確計算。

2.3 仿真模擬結果

復合材料膠結結構的應力狀態非常復雜，受多種因素影響，包括被膠結件的材料、鋪層、構型、幾何尺寸、載荷類型、膠結面的膠結質量、膠黏劑類型、膠層的厚度等。在理論計算過程中，使用了多個假設條件，而仿真分析可以相對的減少假設條件，更貼近實際工況，本部分采用仿真模擬方法對雙搭板膠結結構拉伸條件下的應力狀態進行分析，并與試驗結果和理論分析結果做對比分析，研究三者之間的聯系。另外，有限元模擬分析可以直接觀察到結構不同部位的應力狀態，更確切的分析危險部位，為實現強度預報分析做基礎鋪墊。

復合材料膠結結構為軸對稱模型，取模型的1/2作為研究對象，利用有限元分析軟件ABAQUS 6.13分別對含上、下外搭接板、內搭接板及膠層進行三維幾何建模，建立的結構模型如圖6所示；進一步定義材料基本屬性，復合材料和膠層均為線彈性材料，材料基本參數參見表1；定義邊界條件和加載；劃分網格，選擇3維8節點縮減積分單元C3D8R，獲得最終的三維有限元模型如圖7所示。

對建立的有限元模型進行計算分析，得到膠層的剪切應力云圖如圖8所示。從圖中可以看出，剪切應力值從左側對稱面到右側端部呈現出先降低后增加的趨勢，觀察到上下膠結層的應力極值大小基本一樣，該趨勢和理論預報結果一致。

膠層的拉應力狀態如圖9所示，同樣在膠結區域端部出現應力最大值，剪切應力最大值和拉應力最大值均出現在端部，表明復合材料搭接板將在此區域發生破壞，其破壞形式取決于膠層的拉伸強度和剪切強度。

3 討論

為了判斷仿真模擬雙搭接膠接接頭膠層剪切應力的合理性，與理論分析結果做對比分析，結果如圖10所示。從圖中可以看出，剪應力理論解和仿真結果的變化趨勢一致，數據吻合性好且無明顯誤差，均呈現先下降后上升的趨勢，極值發生在端部。表明仿真模擬分析可以很好的計算膠結結構的剪切應力，在后續的研究工作中，可以通過模擬分析對結構的應力狀態做初步分析，減少試驗工作量，節約試驗成本。

圖5 膠層剪切應力理論解變化趨勢

圖6 復合材料雙搭板膠接結構幾何模型

圖7 復合材料雙搭板膠接結構網格劃分圖

圖8 膠層剪切應力云圖

圖9 膠層正應力云圖

圖10 剪切應力理論值和仿真結果對比圖

圖11 膠層法向拉應力變化趨勢

在破壞機理分析方面，從斷口分析結果來看，破壞形式是膠黏劑與搭接板間的脫粘破壞，一般來說，引起這種破壞的因素包括剪切應力和拉應力，因此獲得復合材料結構在外載荷的作用下的應力分布，是預報結構失效的基礎。從上述試驗結果來看，理論分析結果只考慮了剪切應力的求解方式，并沒有考慮膠層所受拉應力的狀況。為了進一步分析應力和破壞形式之間的關系，從仿真結果中，繪制出膠層的拉應力狀態，如圖 11所示。從圖中可以看出，出膠層端部區域外，應力值整體偏低，而在接近端部區域，拉應力成快速增長狀態。結合剪切應力的最大值區域，表明結構最易從粘結區域端部發生破壞，然后擴展至整個膠結面。

4 結論

本研究通過對復合材料雙搭接膠結結構開展單向拉伸試驗，并利用理論和數值仿真方法分析對結構在拉伸狀態下的膠層剪切應力進行分析。結論如下：

1）膠結件的破壞為膠層與搭接板間的脆性脫粘破壞，無膠層內聚破壞，復合材料搭接板局部有分層損傷產生。

2）剪切應力變化趨勢的理論結果和仿真結果一致，吻合性好且誤差小，最大值發生在膠結端部，變化趨勢從樣件中部到端部先下降再上升。

3）膠結接頭的破壞是由于外載作用下膠層內部的剪切應力和拉應力共同作用的結果。

4）試驗研究、理論分析和仿真模擬三者結合可以有效地預報結構應力狀態，對結構設計及應用提供指導作用。

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Stress Analysis and Tensile Experimental of Composite Adhesive Structure

REN Wei1, ZHANG Shao-feng2,3,4, ZHANG Bo2,3,4, HU Le-han, HU Wan-ting
(1. Naval Representative Office of NO. 750 Factory, Guangzhou 510000; 2. The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology of China, Guangzhou 510610; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic information Products Reliability Technology, Guangzhou 510610; 4. Guangdong Industrial Robot Reliability Engineering Laboratory, Guangzhou 510610)

This research mainly focus on the stress states of adhesive layer in double lap adhesive composite structure according to uniaxial tensile test, theory analysis and numerical simulation analysis. The results show that a brittle debonding is occurred between the adhesive layer and composite plate with no cohesive failure; local delamination phenomenon are observed on the surface of composite plate; stress variation trend under theoretical analysis is in agreement with numerical simulation results with an low error band, the maximum shear stress occurs at the end of adhesive area. The trend of shear stress decreases at the middle of the sample and then increased to a maximum value. The method combing with experimental, theoretical analysis and numerical simulation can effectively predict the stress state of the structure, providing guidance for the design and application of composite structure.

composite; adhesive structure; fracture analysis; stress analysis; numerical simulation

V258

B

1004-7204（2017）02-0054-05

任 偉（1981-），男，安徽淮北人，工學博士，工程師，主要從事艦船裝備設計及材料應用研究。

張少鋒（1983-），男，河南濮陽人，工學博士，工程師，主要從事裝備環境工程方向研究。

項目來源：國防科技工業技術基礎科研項目（JBA1570080）