桁架結構中復合材料膠接區域膠層失效原因研究

中圖分類號：TQ342+.742 文獻標志碼：A文章編號：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

桁架結構是將碳纖維復合材料與金屬材料通過某種連接方式而成的立體結構，其結構設計靈活，可以通過大跨度連接設計來實現結構載荷的三維均勻分布，從而增加衛星結構的承載能力[1]。隨著衛星技術的不斷發展以及衛星結構的迭代，輕量化、高強度、高模量、輕質化的桁架結構成為航天航空領域的主要發展方向[]

目前桁架結構的連接方式有機械連接、膠接連接、混合連接[3]，膠接連接是碳纖維復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、減輕連接質量、不損傷復合材料、抗疲勞效果優異等優點。但是膠接性能會因為材料熱膨脹系數不匹配性、剪切應力分布不均勻等導致失效模式的發生[56]。袁輝等在文獻的研究基礎上通過理論分析與試驗對比的方法研究了膠層厚度、螺栓位置、螺栓剛度等參數對膠螺混合接頭承載力的影響規律與機制[7]。孟毛毛等則利用ABAQUS軟件建立了復合材料鋁膠螺混合連接三維漸進模型，對比分析了膠接結構螺接結構和混合結構的強度和承載機制并討論了釘頭形式及寬徑比對混合連接結構強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域端部應力峰值，降低應力集中[9]。目前針對整個結構的復合材料/金屬膠接在不同溫度下的力學性能研究較少。

本文的研究對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構，通過有限元模型的建立以及仿真分析，分別研究了桁架結構在高溫和低溫下的膠層失效機制，以及不同膠接區域分別在高溫和低溫下的膠層失效機制，為桁架結構的設計以及裝配制造提供了參考。

1桁架結構實驗部分

1.1 桁架組成

桁架結構如圖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

針對上述模型開展高溫（ 90^qC 和低溫（ -60°C ））下的膠層應力分布仿真。模型初始溫度 20°C 。CCM55J2-6K、T800材料性能參數見表1;鎂合金材料參數：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

鎂合金接頭采用實體建模，接頭與桿件膠接部為劃分六面體網格，單元類C3D8R，其余部位劃分四面體網格，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，劃分四邊形網格，單元類型S4R。如圖2所示，各桿件與接頭膠接區域設置Cohesive接觸屬性。

1.4界面失效判據

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

2 結果及分析

2.1 高溫工況

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

由圖3可知，應力最大值為 7.026MPa ，表明已有膠粘區域出現膠層失效。為進一步顯示膠層失效面積，將云圖上限設置為1，則膠粘區域顯示為白色即表明該位置膠層失效。由圖3局部細節處可知，膠粘區域前端和后端均出現膠層失效，且隨著溫度升高，局部向中心區域擴展。

由圖4可知，另外2個鎂合金接頭即接頭2和接頭3的的二次名義應力分布情況與圖3所示基本一致，均表現為膠粘區域端部失效。

由圖5可知，4條棱邊區域方向應力較大，應力最大值為 85.6MPa ，該值為正值表明為法向壓應力，壓應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，高溫工況下的變形趨勢。

2.2 低溫工況

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

由圖6可知，在溫度 -60°C 下，應力最大值為44.1MPa ，表明已有膠粘區域出現膠層失效。為進一步顯示膠層失效面積，將云圖上限設置為1，則膠粘區域顯示為白色即表明該位置膠層失效。由圖6局部細節圖可知，方形接頭膠粘區域前端和后端以及4條棱邊膠層大面積失效，圓形接頭表現為前端與后端失效，且中間區域應力水平較高溫工況明顯提高。

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

由圖8可知，4條棱邊區域方向應力較大，最大值為 90.8MPa ，該值為負值表明為法向拉應力，拉應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個方向的切應力分布云圖。

由圖9可知，應力最大值在 50MPa 左右。綜合來看各應力，法向拉應力與切應力均會導致粘接界面失效，且法向應力遠大于切應力，更易造成脫粘。

3討論

由于此次接頭是復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材桿件，粘接區域表現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材桿件，粘接區域表現為沿接觸面法向相互脫離。也正因為2種工況下法向應力矢量方向不同，導致雖然2種工況下切應力分量基本相當，但二次名義應力差距較大。

制備試驗件，在 90～95° 高溫試驗后，桿件與接頭膠接部位出現大面積脫粘現象，在-60低溫狀態下，膠接部位出現大面積脫粘，與仿真結果相吻合。為避免材料熱膨脹系數造成的膠層失效，可以在膠接區域基礎上，增加機械連接鉚接，通過分擔部分載荷起到分擔膠層承載的作用。試驗件在膠接區域增加鉚接后，凈高低溫試驗后均無脫粘現象。

4結語

通過建立有限元模型，對桁架結構中碳纖維復合材料桿件以及鎂合金金屬接頭膠接區域仿真分析。

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

【參考文獻】

[1]章令暉，李甲申，王琦浩，等.航天器用復合材料桁架結構研究進展[J].纖維復合材料，2013（4）：62-65.

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