任 伟，张少锋，张 博，胡乐瀚，胡琬婷

（1.海军驻广州七五〇厂军事代表室，广州 510000； 2.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610；4.广东省工业机器人可靠性工程实验室，广州 510610）

复合材料胶结结构拉伸试验及胶层应力分析

任 伟1，张少锋2,3,4，张 博2,3,4，胡乐瀚，胡琬婷

（1.海军驻广州七五〇厂军事代表室，广州 510000； 2.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610；4.广东省工业机器人可靠性工程实验室，广州 510610）

通过对复合材料双搭接胶结结构开展单向拉伸试验，并利用理论和数值仿真方法分析对结构在拉伸状态下的胶层剪切应力进行。研究结果表明：胶结件的破坏为胶层与搭接板间的脆性脱粘破坏，无胶层内聚破坏，复合材料搭接板局部有分层损伤产生；应力变化趋势的理论结果和仿真结果一致，数据吻合性好且误差小，剪切应力最大值发生在胶结端部，变化趋势从样件中部到端部先下降再上升；胶结接头的破坏是由于外载作用下胶层内部的剪切应力和拉应力共同作用的结果。

复合材料；胶接结构；断口分析；应力分析；仿真模拟

复合材料具备轻质、高比刚度、高比强度及可设计性等优异特性，已在航空航天领域有广泛应用，由次承力结构逐渐向主承力结构转变。为了实现载荷传递和结构的整体性，复合材料连接必不可少，目前研究的主要连接方式包括机械和胶结两种。与机械连接相比，胶结结构具备不破坏纤维的连续性、无钻孔引起的应力集中、不削弱元件承载能力、连接效率高和结构轻等优势[1～4]，在飞行器复合材料结构连接中占有很大比重，在某些机体结构上，胶结面积甚至超过机身总面积的50 %。然而，在服役过程中，有统计结果显示，复合材料连接部位是承载的薄弱环节，飞行器结构有70 %以上的破坏都发生在连接部位，因此，准确的计算连接结构的应力状态成为研究热点[5～8]，相关研究成果可为飞行器的安全可靠性服役保驾护航。本研究针对复合材料胶结结构的复杂应力状态，通过试验研究、理论分析和仿真模拟的方法研究复合材料双搭板胶接接头的应力分布及破坏形式。

1 试验部分

1.1 试验样件

本研究选复合材料双搭板胶接接头为研究对象，试样照片如图1所示。内外搭板材料为复合材料层合板，原材料为碳纤维双马树脂预浸料（CCF300/QY8911），经固化后形成复合材料层合板，单层厚度为0.12 mm，试板共铺设24层，铺层顺序[+45/0/-45/90] 3 s；胶结连接使用胶膜，型号为BMS 5-101。复合材料与胶膜基本力学性能参数如表1所示。

1.2 试验方法

图1 试验用双搭板胶接件样件（a.正面形貌 b.侧面形貌）

1.2.1 拉伸试验

复合材料双搭胶接接头拉伸试验参考GB/T 7124-2008，万能力学试验机型号为MTS 810-100kN，加载速度为2 mm/min，为了保护复合材料，在试样加持端2个表面粘贴加强片，同时加强片可以实现载荷传递，复合材料双搭接接头拉伸加载示意图见图2。

1.2.2 理论分析

复合材料平面胶接连接结构可以采用解析方法求得理论解，本部分采用Tsai等人[9]提出的考虑搭接板剪切变形的双搭板胶结接头应力分析方法，计算了胶层不同位置上的剪切应力值。

1.2.3 仿真模拟分析

仿真模拟分析的方面，利用大型有限元商业软件ABAQUS 6.13-4，通过建立几何模型、设置材料属性、边界加载、网格划分及分析计算等一系列步骤，计算了胶层不同位置下的应力状态。

2 试验结果

2.1 拉伸试验结果

图2 复合材料双搭板胶接件拉伸试验

表1 材料基本力学性能参数

2.1.1 载荷-位移曲线

拉伸载荷和位移曲线如图3所示，从图中可以看出，载荷随位移近似成线性增长，达到最大值后迅速断裂。

通过公式计算粘结区的平均应力，胶结层平均剪切应力为：

带入Pmax=10.37 kN；b = 25 mm；l = 25 mm；得到粘结区的平均剪切应力为8.30 MPa。

2.1.2 断口分析

为了研究双搭板胶接接头的断裂形式，观察拉伸破坏后的断口，如图4所示。从照片可以看出，断裂位置主要是在胶膜和复合材料层板接触的界面开裂，未发现胶层内聚破坏形式，同时在外搭接板上有少量的分层损伤产生，可能是该处在制备过程中存在缺陷引起的。

2.2 理论分析结果

图3 双搭板胶结接头拉伸试验载荷-位移曲线

图4 双搭板胶结接头拉伸断口形貌

试验测试只能得到胶层区域的平均剪切应力，无法获得胶层不同部位的局部应力状态，而理论分析可以通过平衡条件、变形协调等控制方程，获得胶层的应力状态。本部分通过理论分析求解双搭接胶结接头的胶层剪切应力，采用Tsai等人[9]提出的考虑搭接板剪切变形的双搭板胶结接头应力分析方法，该方法要求三个假设：①搭接板中的剪应力沿厚度方向是线性变化的；②搭接板和胶层都是线弹性的；③搭接板和胶层是理想胶结状态。通过应力平衡求得胶层剪应力的表达式：

积分常数A、B为：

且有：

式（4）中τm为胶层中的平均剪应力；P为双搭接接头搭接板单位宽度所受的拉力；ti、Ei和Gi分别为内搭接板的厚度、等效拉伸弹性模量和等效剪切弹性模量；to、Eo和Go是上下外搭接板的厚度、等效拉伸弹性模量和等效剪切弹性模量；η是胶层的厚度；l为胶结长度；c是胶结长度的一半；Ea和Ga分别为胶层的弹性模量和剪切模量。

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；将上述数据带入到上式中，得到胶层不同部位的应力变化曲线如图5所示。从图中可以看出，胶层剪切应力有19.73 MPa将至1.59 MPa，然后又升至39.37 MPa，平均应力约为8.38 MPa，与试验测试结果8.30 MPa非常接近，该理论分析模型可以对双搭板胶接结构应力进行准确计算。

2.3 仿真模拟结果

复合材料胶结结构的应力状态非常复杂，受多种因素影响，包括被胶结件的材料、铺层、构型、几何尺寸、载荷类型、胶结面的胶结质量、胶黏剂类型、胶层的厚度等。在理论计算过程中，使用了多个假设条件，而仿真分析可以相对的减少假设条件，更贴近实际工况，本部分采用仿真模拟方法对双搭板胶结结构拉伸条件下的应力状态进行分析，并与试验结果和理论分析结果做对比分析，研究三者之间的联系。另外，有限元模拟分析可以直接观察到结构不同部位的应力状态，更确切的分析危险部位，为实现强度预报分析做基础铺垫。

复合材料胶结结构为轴对称模型，取模型的1/2作为研究对象，利用有限元分析软件ABAQUS 6.13分别对含上、下外搭接板、内搭接板及胶层进行三维几何建模，建立的结构模型如图6所示；进一步定义材料基本属性，复合材料和胶层均为线弹性材料，材料基本参数参见表1；定义边界条件和加载；划分网格，选择3维8节点缩减积分单元C3D8R，获得最终的三维有限元模型如图7所示。

对建立的有限元模型进行计算分析，得到胶层的剪切应力云图如图8所示。从图中可以看出，剪切应力值从左侧对称面到右侧端部呈现出先降低后增加的趋势，观察到上下胶结层的应力极值大小基本一样，该趋势和理论预报结果一致。

胶层的拉应力状态如图9所示，同样在胶结区域端部出现应力最大值，剪切应力最大值和拉应力最大值均出现在端部，表明复合材料搭接板将在此区域发生破坏，其破坏形式取决于胶层的拉伸强度和剪切强度。

3 讨论

为了判断仿真模拟双搭接胶接接头胶层剪切应力的合理性，与理论分析结果做对比分析，结果如图10所示。从图中可以看出，剪应力理论解和仿真结果的变化趋势一致，数据吻合性好且无明显误差，均呈现先下降后上升的趋势，极值发生在端部。表明仿真模拟分析可以很好的计算胶结结构的剪切应力，在后续的研究工作中，可以通过模拟分析对结构的应力状态做初步分析，减少试验工作量，节约试验成本。

图5 胶层剪切应力理论解变化趋势

图6 复合材料双搭板胶接结构几何模型

图7 复合材料双搭板胶接结构网格划分图

图8 胶层剪切应力云图

图9 胶层正应力云图

图10 剪切应力理论值和仿真结果对比图

图11 胶层法向拉应力变化趋势

在破坏机理分析方面，从断口分析结果来看，破坏形式是胶黏剂与搭接板间的脱粘破坏，一般来说，引起这种破坏的因素包括剪切应力和拉应力，因此获得复合材料结构在外载荷的作用下的应力分布，是预报结构失效的基础。从上述试验结果来看，理论分析结果只考虑了剪切应力的求解方式，并没有考虑胶层所受拉应力的状况。为了进一步分析应力和破坏形式之间的关系，从仿真结果中，绘制出胶层的拉应力状态，如图 11所示。从图中可以看出，出胶层端部区域外，应力值整体偏低，而在接近端部区域，拉应力成快速增长状态。结合剪切应力的最大值区域，表明结构最易从粘结区域端部发生破坏，然后扩展至整个胶结面。

4 结论

本研究通过对复合材料双搭接胶结结构开展单向拉伸试验，并利用理论和数值仿真方法分析对结构在拉伸状态下的胶层剪切应力进行分析。结论如下：

1）胶结件的破坏为胶层与搭接板间的脆性脱粘破坏，无胶层内聚破坏，复合材料搭接板局部有分层损伤产生。

2）剪切应力变化趋势的理论结果和仿真结果一致，吻合性好且误差小，最大值发生在胶结端部，变化趋势从样件中部到端部先下降再上升。

3）胶结接头的破坏是由于外载作用下胶层内部的剪切应力和拉应力共同作用的结果。

4）试验研究、理论分析和仿真模拟三者结合可以有效地预报结构应力状态，对结构设计及应用提供指导作用。

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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 伟（1981-），男，安徽淮北人，工学博士，工程师，主要从事舰船装备设计及材料应用研究。

张少锋（1983-），男，河南濮阳人，工学博士，工程师，主要从事装备环境工程方向研究。

项目来源：国防科技工业技术基础科研项目（JBA1570080）