桁架結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料膠接區(qū)域膠層失效原因研究

中圖分類號(hào)：TQ342+.742 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）07-0021-04

Abstract：By establishing afinite element modelofthe gluedconnection betweenthe metal jointandthecarbon fiber rod，and the temperature field simulation analysis of the glued area，the failure principle and connection mode of the glue layer ofthe trusstructure were discussed.The results showed that the adhesive layer in the adhesive area failed under highand low temperature conditions，andonlythe adhesive layerintheendarea of the joint bonding areafailedunder high temperature conditions.Atlow temperatures，the adhesive line failed inthe end area as well as in the edge area of the square joint.From the analysis of the secondary nominal stress and each stress component，the failure ofthe adhesivelayer under low temperature conditions wasmore serious than that under high temperature conditions.The simulation results were verified by the preparation test，and part of the load of the adhesive line could be shared by increasing the riveted connection mode，soas to avoid the failure of theadhesive line and make the truss structure more stable.

Key words：carbon fiber composite material;temperature field ;adhesive layer failure; stress component

桁架結(jié)構(gòu)是將碳纖維復(fù)合材料與金屬材料通過某種連接方式而成的立體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，可以通過大跨度連接設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)載荷的三維均勻分布，從而增加衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的承載能力[1]。隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展以及衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的迭代，輕量化、高強(qiáng)度、高模量、輕質(zhì)化的桁架結(jié)構(gòu)成為航天航空領(lǐng)域的主要發(fā)展方向[]

目前桁架結(jié)構(gòu)的連接方式有機(jī)械連接、膠接連接、混合連接[3]，膠接連接是碳纖維復(fù)合材料和金屬材料之間常用的連接方式[4]。通過某種膠粘劑將桿件和接頭連接，具有耐腐蝕、減輕連接質(zhì)量、不損傷復(fù)合材料、抗疲勞效果優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。但是膠接性能會(huì)因?yàn)椴牧蠠崤蛎浵禂?shù)不匹配性、剪切應(yīng)力分布不均勻等導(dǎo)致失效模式的發(fā)生[56]。袁輝等在文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上通過理論分析與試驗(yàn)對(duì)比的方法研究了膠層厚度、螺栓位置、螺栓剛度等參數(shù)對(duì)膠螺混合接頭承載力的影響規(guī)律與機(jī)制[7]。孟毛毛等則利用ABAQUS軟件建立了復(fù)合材料鋁膠螺混合連接三維漸進(jìn)模型，對(duì)比分析了膠接結(jié)構(gòu)螺接結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載機(jī)制并討論了釘頭形式及寬徑比對(duì)混合連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和損傷形式的影響[8]羅威等得出了折曲單接頭比同軸接頭更能有效降低膠接區(qū)域端部應(yīng)力峰值，降低應(yīng)力集中[9]。目前針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料/金屬膠接在不同溫度下的力學(xué)性能研究較少。

本文的研究對(duì)象是由金屬接頭和碳纖維桿件通過膠粘劑連接而成的立體桁架結(jié)構(gòu)，通過有限元模型的建立以及仿真分析，分別研究了桁架結(jié)構(gòu)在高溫和低溫下的膠層失效機(jī)制，以及不同膠接區(qū)域分別在高溫和低溫下的膠層失效機(jī)制，為桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及裝配制造提供了參考。

1桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)部分

1.1 桁架組成

桁架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體為M55J碳纖維桿件，桿件之間通過接頭連接，接頭材質(zhì)有2種，分別為T800碳纖維接頭（粉紅色）和鎂合金接頭（綠色）。

1.2 工況條件

針對(duì)上述模型開展高溫（ 90^qC 和低溫（ -60°C ））下的膠層應(yīng)力分布仿真。模型初始溫度 20°C 。CCM55J2-6K、T800材料性能參數(shù)見表1;鎂合金材料參數(shù)：彈性模量41GPa，泊松比0.3，密度1800kg/m³ ；膠接面屬性見表2。

1.3 有限元模型

鎂合金接頭采用實(shí)體建模，接頭與桿件膠接部為劃分六面體網(wǎng)格，單元類C3D8R，其余部位劃分四面體網(wǎng)格，單元類型C3D10。T800碳纖維接頭采用殼單元建模，劃分四邊形網(wǎng)格，單元類型S4R，M55碳纖維桿件采用殼單元建模，劃分四邊形網(wǎng)格，單元類型S4R。如圖2所示，各桿件與接頭膠接區(qū)域設(shè)置Cohesive接觸屬性。

1.4界面失效判據(jù)

cohesive建模技術(shù)可以應(yīng)用于粘合劑、粘接界面、復(fù)合材料等，此次建模采用粘聚力接觸的方式進(jìn)行建模。粘聚力模型主要用來描述厚度方向以及垂直厚度方向（2個(gè)切向）的力學(xué)行為。

2 結(jié)果及分析

2.1 高溫工況

圖3所示為高溫（ 90^qC ）工況下，鎂合金接頭膠粘區(qū)域的二次名義應(yīng)力分布云圖。

由圖3可知，應(yīng)力最大值為 7.026MPa ，表明已有膠粘區(qū)域出現(xiàn)膠層失效。為進(jìn)一步顯示膠層失效面積，將云圖上限設(shè)置為1，則膠粘區(qū)域顯示為白色即表明該位置膠層失效。由圖3局部細(xì)節(jié)處可知，膠粘區(qū)域前端和后端均出現(xiàn)膠層失效，且隨著溫度升高，局部向中心區(qū)域擴(kuò)展。

由圖4可知，另外2個(gè)鎂合金接頭即接頭2和接頭3的的二次名義應(yīng)力分布情況與圖3所示基本一致，均表現(xiàn)為膠粘區(qū)域端部失效。

由圖5可知，4條棱邊區(qū)域方向應(yīng)力較大，應(yīng)力最大值為 85.6MPa ，該值為正值表明為法向壓應(yīng)力，壓應(yīng)力作用下粘接面與被粘接面相互靠近擠壓。符合碳纖維桿件包裹鎂合金接頭時(shí)，高溫工況下的變形趨勢(shì)。

2.2 低溫工況

圖6所示為低溫（ -60°C ）工況下，鎂合金接頭膠粘區(qū)域的二次名義應(yīng)力分布云圖。

由圖6可知，在溫度 -60°C 下，應(yīng)力最大值為44.1MPa ，表明已有膠粘區(qū)域出現(xiàn)膠層失效。為進(jìn)一步顯示膠層失效面積，將云圖上限設(shè)置為1，則膠粘區(qū)域顯示為白色即表明該位置膠層失效。由圖6局部細(xì)節(jié)圖可知，方形接頭膠粘區(qū)域前端和后端以及4條棱邊膠層大面積失效，圓形接頭表現(xiàn)為前端與后端失效，且中間區(qū)域應(yīng)力水平較高溫工況明顯提高。

由圖7可知，另外2個(gè)鎂合金接頭的二次名義應(yīng)力分布圖，情況與圖6所示基本一致。

由圖8可知，4條棱邊區(qū)域方向應(yīng)力較大，最大值為 90.8MPa ，該值為負(fù)值表明為法向拉應(yīng)力，拉應(yīng)力作用下粘接面與被粘接面相互脫離，造成脫粘。

圖9所示為2個(gè)方向的切應(yīng)力分布云圖。

由圖9可知，應(yīng)力最大值在 50MPa 左右。綜合來看各應(yīng)力，法向拉應(yīng)力與切應(yīng)力均會(huì)導(dǎo)致粘接界面失效，且法向應(yīng)力遠(yuǎn)大于切應(yīng)力，更易造成脫粘。

3討論

由于此次接頭是復(fù)材桿件包覆鎂合金接頭。高溫工況下金屬接頭膨脹量大于復(fù)材桿件，粘接區(qū)域表現(xiàn)為沿接觸面法向相互擠壓，有助于抑制接觸面脫粘；低溫工況下，金屬接頭收縮量大于復(fù)材桿件，粘接區(qū)域表現(xiàn)為沿接觸面法向相互脫離。也正因?yàn)?種工況下法向應(yīng)力矢量方向不同，導(dǎo)致雖然2種工況下切應(yīng)力分量基本相當(dāng)，但二次名義應(yīng)力差距較大。

制備試驗(yàn)件，在 90～95° 高溫試驗(yàn)后，桿件與接頭膠接部位出現(xiàn)大面積脫粘現(xiàn)象，在-60低溫狀態(tài)下，膠接部位出現(xiàn)大面積脫粘，與仿真結(jié)果相吻合。為避免材料熱膨脹系數(shù)造成的膠層失效，可以在膠接區(qū)域基礎(chǔ)上，增加機(jī)械連接鉚接，通過分擔(dān)部分載荷起到分擔(dān)膠層承載的作用。試驗(yàn)件在膠接區(qū)域增加鉚接后，凈高低溫試驗(yàn)后均無脫粘現(xiàn)象。

4結(jié)語

通過建立有限元模型，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)中碳纖維復(fù)合材料桿件以及鎂合金金屬接頭膠接區(qū)域仿真分析。

（1）高溫工況和低溫工況下，桁架膠接區(qū)域膠層均會(huì)發(fā)生失效；（2）高溫工況下，僅在接頭粘接區(qū)域的端部膠層失效，低溫工況下除端部區(qū)域，方形接頭的棱邊膠層也會(huì)發(fā)生失效。從二次名義應(yīng)力和各應(yīng)力分量來看，低溫工況下膠層失效更為嚴(yán)重；（3）采取膠接和鉚接的連接方式，會(huì)避免膠層失效。

【參考文獻(xiàn)】

[1]章令暉，李甲申，王琦浩，等.航天器用復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].纖維復(fù)合材料，2013（4）：62-65.

[2]] 張錦光，李弋文，文湘隆，等.碳纖維膠接接頭仿真插件的開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].航天器工程，2023（2）：5-6.

[3] 熊波，林國昌，張印桐，等.一種復(fù)合材料桁架的制備及彎曲承載性能分析[J]哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（5）：46-48.

[4］劉志明，許昶.纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與鋁板膠螺混合連接接頭失效仿真［J」.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2019（36）：2308-2310.

[5] 杜海深，林建平，盧志國，等.膠層局部缺陷對(duì)膠接接頭承載能力的影響研究［J].中國膠粘劑，2009（18）：9-10.

[6] 秦國鋒，那景新，慕文龍，等.CFRP/鋁合金粘接接頭在低溫環(huán)境中的老化機(jī)理研究［J].中國膠粘劑2019（28）：454-456.

[7] 袁輝，劉鵬飛，趙啟林，等.膠螺混合連接承載力的參數(shù)影響研究［J].玻璃鋼復(fù)合材料，2013（3）：66-71.

[8] 孟毛毛，趙美英，彌曉亮，等.膠螺混合連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及影響因素研究［J].航空工程進(jìn)展2013（2）：186-192.

[9] 羅威，馬嬌，陳正龍，等.折曲單搭接膠接接頭應(yīng)力分布探討[J].中國膠粘劑，2019（28）：461-46.