內嵌夾雜層對復合材料膠接接頭的影響

鄧穎凡， 崔 旭， 王宇豪

（沈陽航空航天大學民用航空學院， 遼寧 沈陽 110000）

引言

隨著復合材料在航空航天、汽車工業等領域的廣泛應用，復合材料結構尺寸越來越大，因此，必然需要對不同部件進行連接[1]。連接是復合材料結構制造的重要步驟。與傳統的機械連接相比，膠接具有結構輕、耐損傷腐蝕性好、應力分布均勻、高強度質量比等優點[2]。因此，對于復合材料膠接接頭的研究成為國內外眾多學者的研究重點[3]。

膠接可連接具有不同剛度和強度的材料，這導致了更復雜的斷裂機理和不對稱的應力分布。單搭接膠接接頭的獨特結構受力，造成了接頭重疊區邊緣的高界面應力，致使接頭的低強度和快速失效。Kanani 提供了一種改進界面剛度的新型異種單搭接接頭。這項研究通過嵌入離散的AL 貼片來增強較低剛度被黏物界面，從而大程度地降低峰值應力的集中，提高接頭性能[4]。Marchione 通過在雙搭接黏合接頭的內層被黏物植入增強板件來優化接頭以增強強度。結果表明，加強板的存在可改善內部被黏物傳向外部被黏物的應力，并且內部被黏物的分層，可以顯著降低黏合層中的峰值應力[5]。優質接頭必須要盡可能實現剝離應力和剪切應力的均勻分布。

本文研究并分析了一種單搭接膠接接頭，該接頭特征是黏接層內嵌有強化夾層。針對夾雜膠層結構，通過建立數值模型以評估夾雜鋁層的厚度對接頭性能的影響。通過該方法為單搭接接頭設計提供一種新的參考形式。

1 有限元模型

1.1 有限元細節

在Abaqus 環境內創建了夾雜和純膠接的單搭接黏接三維非線性數值模型。數值模型如圖1 所示，純膠接模型與夾雜模型的總黏接層厚度均為0.15 mm，并且在更改夾雜層的厚度參數時，始終控制整體黏接層的厚度恒定，結構配置參數見表1。設定復合材料被黏物的正交各向異性行為、黏接劑的線彈性行為和夾雜層的各向同性線彈性[6]，其彈性特性如表2所示。

圖1 純膠接模型和夾雜膠接模型

表1 夾雜模型的接頭結構配置 mm

表2 膠層和夾雜層彈性特性

采用隱式非線性分析方法對單搭接膠接的拉伸問題進行求解。在進行材料失效等問題的計算中，非線性隱式求解容易出現不收斂的現象。細密的網格是解決收斂性問題的有效方法之一，同時還能提高計算結果的精確性。采用8 節點線性實體單元（C3D8R）離散復合材料母材和夾雜層，單元包含減縮積分和沙漏控制，黏接層被離散成線性內聚單元（COH3D8）。軸向拉伸載荷下樣件的邊界條件如下頁圖2 所示，左端表面限制所有自由度，右端表面限制除縱向位移外的所有自由度，以位移方式施加載荷。

1.2 內聚力模型

內聚力區模型（CZM）在模擬黏接層和黏性界面力學行為方面最為廣泛[7]。在內聚區內，應力是開裂位移的函數，即張開- 開裂位移關系。基于黏聚區模型建立膠層損傷模型，接頭黏接區采用雙線性內聚力單元表示漸進內聚相互作用。一般通過判斷任一方向上應力是否超過臨界值來確定內聚單元是否出現損傷。假設不同方向下名義應力比值的二次函數達到1時內聚單元出現損傷，該標準表示如下[8]：

式中：σn、σs、σt分別為法向、第一剪切方向和第二剪切方向上的牽引應力；σn0、σs0、σt0分別為對應方向下的峰值應力。在內聚雙線性本構中，牽引力- 分離曲線下的區域表示為每種模式下的斷裂能（或臨界能量釋放速率），即牽引力對相對位移所做的功，可得式因此，損傷演化由以下方程表示：

式中：Gc.i為單一模式下內聚單元完全失效時的斷裂能。對于所研究的Hysol EA 9321，使用了文獻中測定的 材 料 參 數（σn0=30 MPa，σs0=σt0=50 MPa，Gc.n=0.60 KJ/m2，Gc.s=Gc.t=0.67 kJ/m2），其中第一剪切模型和第二剪切模型的相關損傷演化參數是相同的。

2 結果與討論

將純膠接模型（無夾雜）與文獻[9]中膠接實驗結果進行對比以驗證有限元模型的準確性。圖2 為膠接的模擬和實驗載荷- 位移曲線，計算結果與實驗結果基本一致。值得注意的是，實驗結果的峰值載荷略高于仿真結果，這與黏合劑的分離強度相關。內聚力單元等效比表征界面間的黏接關系，其分離強度大于等于膠體屈服強度。因此，在采用兩者相等的情況下，實驗結果將會略高于有限元計算結果，這也說明當前工作具有一定的安全性。

圖2 單搭接膠接的載荷位移曲線

圖3 為純膠接和夾雜模型的單搭接剪切強度，夾層對剪切強度的影響較為明顯。剪切強度隨著夾雜層厚度的增加而增加，這與膠層厚度這個膠接參數有關。黏接層厚度對接頭強度的影響是非常重要的。夾層厚度的增加使得上下膠層厚度減小，而黏接強度則隨黏接層厚度的增加而減小。此外，剪切強度也與接頭的變形程度有關，夾雜層的的植入提高了接頭區的整體剛度。

圖3 膠接和夾雜模型的單搭接剪切強度

圖4、圖5 分別顯示了在下黏接層剝離應力和剪切應力的有限元結果，夾雜層對黏接區的界面應力削弱效果明顯。黏接層的中間區域的剝離應力和剪切應力更均勻，重疊區邊緣的峰值應力更高。這是由于偏心加載引起的被黏物旋轉和被黏物在邊緣自由端的材料不連續。此外，由于夾層阻斷造成黏接層不連續（厚度方向），使得端部的峰值應力得到削弱，表現出不對稱現象。夾雜模型的邊緣應力峰值明顯低于純黏接模型，這可以通過夾雜層改進整體黏接層剛度來解釋，夾雜黏接層的形變需要更多的能量。需要說明的是，計算結果表現出不對稱的應力分布，這與數值計算時的邊界條件對稱有關。在有限元結果中，相對于膠接模型的應力值，表現最差的夾雜物模型，峰值剪切應力降低了約66.15%，剝離應力降低了約46.31%。

圖4 夾雜模型載荷位移曲線

圖5 上黏接層剝離應力

在黏接接頭建模中使用了內聚元素，因此可以可視化表達黏接接頭失效過程，并獲得引發接頭失效的載荷值。內聚單元的破壞進展通過標量損傷變量SDEG 表示，在0（為損壞）和1（完全損壞）之間變化。在連續端，黏合劑受到被黏物的約束，出現應力集中，并引發裂紋。

通過將夾雜物厚度從0.5 mm 增加到1.3 mm，黏合劑的總損傷面積從50.8%減少到44.8%。圖6 分別顯示了膠接和夾雜模型的整體應力，夾雜模型中應力分布較為均勻。圖7 為剛度損壞變量的可視化表示，指出了損壞區域的位置和地形。接頭的強度更多地取決于黏合強度。通過設計或修改接頭結構或確定黏合接頭開始失效的時刻，這在使用黏合接頭時非常重要。

圖6 膠接和夾雜接頭應力分布

圖7 膠接和夾雜接頭剛度損傷狀態

3 結論

在這項工作中，采用有限元方法研究具有夾雜層的單搭黏接接頭的結構性能和應力分布。重點研究夾層厚度對接頭性能的影響。結果如下：

1）夾層使得黏接層的界面應力發生顯著的變化，應力分布不對稱。

2）夾雜模型黏接區兩端的峰值剪切應力明顯低于黏接模型，同時剪切應力分布更加均勻。

3）在保證黏接區總厚度恒定的情況下，接頭搭接剪切隨夾層的增加而增加。

4）界面剝離應力的影響較小，但變化趨勢與剪應力相同。