层压板单搭接胶接结构损伤失效行为表征分析

　　摘要：为指导层压板胶接结构设计，提高层压板胶接结构的稳定性，基于ABAQUS软件及其用户自定义场变量子程序(USDFLD)和内聚力单元，建立了同时考虑层压板与胶层损伤与失效的层压板单搭接胶接结构的数值分析模型，模型预报结果与试验结果基本吻合.基于该模型对层压板单搭接胶接结构进行应力分析与承载能力影响因素分析，结果表明：胶接结构中胶层剥离应力在胶层内呈对称分布且两端存在应力集中现象，胶层的失效从胶层的两端向中间逐渐扩展;胶层剪应力沿胶层长度方向呈两端高中间低的“凹”形分布;搭接长度是影响胶接接头强度的主要因素，随着搭接长度的增大，胶接接头的强度随之增大并最终趋于稳定值;胶接接头强度和刚度随层压板厚度的增大而增大，但增加幅度较小;层压板铺层形式对胶接结构的承载能力几乎无影响.

　　关键词：层压板;胶接结构;ABAQUS;子程序;内聚力单元;渐进损伤;强度预报

　　随着复合材料层压板在飞机、导弹、舰艇等结构中的广泛应用[1–3]，层压板结构的连接设计必将引起人们的广泛关注[4].胶接连接与机械连接是复合材料结构设计中常用的两种连接形式.相对于机械连接 而言，胶接连接具有结构轻、不引起应力集中、基本层压板强度不下降等优点[5].

　　因此，为获得更加可靠的层压板胶接结构，有必要开展层压板基本胶接结构的损伤与失效行为的分析与研究.近年来，累积损伤的数值分析方法被人们广泛地用于层压板结构的失效分析与强度预测，该方法可以从复合材料的损伤机理出发判定层压板受载过程中出现的各种不同损伤模式[6–9].此外，基于内聚力理论的内聚力模型，是一种简化的力学模型，该模型可以实现胶接结构中胶层内的应力状态及其损伤过程分析[10-12].

　　本文将累积损伤模型及内聚力模型相结合，基于ABAQUS软件建立层压板基本胶接结构的数值分析模型，预报层压板基本胶接结构的失效强度，计算胶接接头搭接区的应力分布，分析胶接接头搭接区的损伤与失效行为.在此基础上，研究接头几何、材料参数等对胶接结构承载能力的影响，指导层压板胶接结构的设计，从而提高胶接结构的可靠性.

　　1试验

　　层压板基本胶接结构分两种连接形式：平面型连接和正交型连接.本文以平面型单搭接基本胶接结构为研究对象，开展其损伤失效行为的分析与研究.

　　1.1试验材料

　　层压板材料为T700/环氧5228预浸料，由中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院提供;胶层材料为J–302改性环氧树脂胶黏剂，由黑龙江省石油化学研究院提供.

　　2数值模型

　　基于ABAQUS软件建立单搭接胶接结构的数值分析模型，采用累计损伤方法分析层压板的损伤与失效，采用内聚力单元进行胶层的失效分析.

　　2.1层压板损伤模型针对单搭接胶接结构中层压板的受力情况(面内载荷作用)考虑了以下几种失效模式：基体拉伸/压缩失效和纤维/基体的剪切失效。

　　3结果分析

　　基于上述数值模型，预报层压板单搭接胶接结构在拉伸载荷下的承载能力。由于模型中采用部分刚度衰减的方式，因此模拟曲线形状与试验曲线形状存在一定差异.但极限载荷的模拟结果与试验结果基本吻合，即随着外载荷的增加，结构的承载能力以直线状态逐渐增大.当载荷达到某一值时，结构中的胶层或者是胶层附近的复合材料层将发生损伤失效，结构随后发生脆性失效.模拟预报的层压板单搭接胶接结构的极限载荷为5203.82N，与试验值5348.3N误差为3%.可见，上述数值模型能够比较准确地预报结构的承载能力，可用于后续的计算分析.

　　3.2数值结果分析

　　3.2.1胶层内应力分布与损伤失效分析

　　提取加载历程中5个具有代表性的加载点，搭接区内沿胶层长度方向胶层应力分布.(1)胶层内法向正应力沿胶层长度方向呈对称分布;(2)胶层两端存在明显的应力集中现象，其值远高于中间的应力;(3)随着载荷的增加，胶层中部的应力逐渐增大;(4)对应于载荷–位移曲线，当位移载荷u=0.8mm时，即结构达到最大承载能力状态，胶层两端的法向正应力与胶层中间的法向正应力比较接近，胶层处于充分的承载状态;当位移载荷u=1mm时，结构失去承载能力，此时胶层正应力接近于零.

　　材料论文投稿刊物：《复合材料学报》为北京航空航天大学和中国复合材料学会主办的学术性科技期刊(双月刊，200 多页/期)。 《复合材料学报》是美国工程索引《Ei Compendex》的核心检索收录刊，同时也是美国化学文摘《CA》、俄罗斯文摘杂志《AJ》、美国应用力学评论《Appl.Mech.Rev.》、剑桥科学文摘(工程类)《CSA2》等国际检索系统用刊。在中文数据库中，《复合材料学报》为《中国期刊网全文收录数据库》的收录期刊。

　　4结论

　　(1)层压板单搭接胶接结构的数值分析模型对结构极限承载能力的预报结果与试验结果吻合较好，可以利用该模型进行层压板胶接结构的强度预报及应力与失效模式分析，指导层压板胶接结构的设计.

　　(2)胶接结构中胶层剥离应力在胶层内呈对称分布，胶层两端存在应力集中，胶层的失效从胶层的两端向中间逐渐扩展;胶层剪应力沿胶层长度方向呈两端高中间低的“凹”形分布.

　　(3)搭接长度是影响胶接接头强度的主要因素，随着搭接长度的增大，胶接接头的强度随之增大，但增幅逐渐变缓，最后趋于稳定.

　　(4)胶接接头强度和刚度随层压板厚度的增大而增大，但增加幅度均较小;层压板铺层形式对胶接结构的承载能力几乎无影响.

　　参考文献：

　　[1]春胜利，黄榴红，李勇峰.碳纤维及其在复合材料方面的应用[J].玻璃钢，2005(2)：5–14.

　　[2]杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24(1)：1–12.

　　[3]RobertIM.AdvancedcompositestructuresresearchinAustralia[J].CompositeStructures，2002，57(1/2/3/4)：3–10.

　　[4]汪裕炳，张全纯.复合材料的结构连接[M].北京：国防工业出版社，1992.

　　[5]谢鸣九，黎观生，章怡宁.复合材料连接[M].上海：上海交通大学出版社，2011.

　　[6]PanigrahiSK，PradhanB.ThreedimensionalfailureanalysisanddamagepropagationbehaviorofadhesivelybondedsinglelapjointsinlaminatedFRPcomposites[J].JournalofRnforcedPlastics&Composites，2007，26(2)：183-201.

　　作者：王晓宏1，刘长喜1，毕凤阳1，武玉芬2，邢立峰3