薛斌

【摘 要】本文进行了关于共胶结/共固化工艺方法影响工字型筋条与蒙皮脱粘性能关键因素的试验和数值模拟研究。得出共固化工艺比共胶结有更好的抵抗脱粘的能力、腹板与下缘条连接处的填充区损伤会对整体性能产生较大影响等结论。

【关键词】复合材料;脱粘;力学试验

中图分类号： V214.8文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）14-0163-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.079

【Abstract】The mechanical property test and numerical simulation of the interface between I shape stringer and skin are carried on in this paper both in the co-bonded and co-cured process. The results showed that co-cured process has better de-bond resistant ability comparing to co-bonded process. The noodle of stringer can introduce a significant influence on the overall mechanical property.

【Key words】Composite material;De-bond;Mechanical test

0 前言

本文針对复合材料加筋板单筋条-蒙皮局部结构，进行了四点弯曲试验。验证由于局部屈曲导致的筋条蒙皮粘接面的脱粘现象。试验过程监测载荷-位移、应变。

1 试验

a）试验件描述

本文针对工字型筋条加筋板的典型局部区域。设计两类试验件进行分析和试验测试验证：共固化工艺、共胶结工艺。

在该实验中，长桁腹板与下缘条连接位置的过渡区由0°纤维及树脂制作的捻子条填充。该区域在承受弯曲载荷的过程中存在可能的应力集中：

b）试验方案设计

本试验设计专用夹具试验筋条蒙皮粘接面的纯弯矩作用，试验状态如图1所示。为了保证数据重复性，每种构型包含2件试验件。试验设备采用Instron5966电子静力试验机，通过位移进行加载，速度1mm/min。

为了检测试验过程中可能出现的筋条蒙皮脱粘现象，设计使用应变片进行定载荷下的应变测量。利用试验过程中的应变数据检验加载是否有偏斜，通过应变数据跳动检测脱粘的起始位置及载荷。由于试验过程不可能完全避免夹具试验件空隙带来的应变数值不稳定，试验过程以0.5KN作为应变检测的零点。

c）试验结果

试验观测结果如下：

采用共固化工艺的试验件，加载到2KN时上缘条多处应变数据明显震荡，脱粘起始。载荷到达3.2KN时，观测到下缘条与蒙皮之间的损伤起始。至3.8KN过程中，该损伤不断扩展，并且3.8KN载荷时刻裂纹有向蒙皮内部扩展的趋势。在载荷为3.6KN之前，虽然出现了损伤的萌生和扩展，但是载荷-位移数据和位于蒙皮上的应变数据对该现象不敏感。该现象说明共固化过程形成的界面，裂纹扩展较稳平缓，且不会对试验件整体的刚度造成直接影响。约3.8KN处，试验件发出明显声响，随即检测到另一侧的下缘条与蒙皮粘接位置有脱粘出现并不断扩展，同时载荷-位移曲线发生跳动。

采用共胶结工艺的试验件，试验加载至1.5KN时试验件发出响声，缘条上部应变出现明显震荡，蒙皮对应位置的应变值也有所反映。但是，此时载荷位移曲线并没有明显变化，裂纹观测仪也未捕捉到明显现象。至3KN时，一侧缘条观测到位于中部胶合剂内部的损伤不稳定快速扩展。同时，载荷-位移曲线也出现了较为明显的平缓阶段，显示该段试验件的承载能力有所变化。随着载荷的继续增加，两侧缘条均观测到脱粘的快速扩展，值得注意是两侧的脱粘位置并不相同，其中左侧发生在胶合剂内部，而右边损伤发生在蒙皮内部。载荷约到达5.2KN时，观测到填充区内有损伤出现，但是此时载荷-位移曲线并没有显著变化。

对比前述的试验现象，共胶结的试验件，在较低载荷处即发生了载荷-位移曲线的弯折。试验过程中，在该段弯折均伴随着脱粘的不稳定快速扩展。而共固化试验件并没有出现类似的平台期，脱粘扩展过程也更加稳定和平稳。因而，采用共固化工艺的连接面，在抵抗裂纹萌生和不稳定扩展的方面，具有更好的力学表现。

试验件腹板与下缘条连接处，存在由0°纤维与树脂形成的填充区。在实际加载过程中，该区域的承受较大的载荷，因而也会发生破坏。

2 总结

对于同构型的试验件，共胶接界面不仅损伤起始载荷较低，且扩展不稳定的特点。相对于共固化试验件，共胶结工艺虽然更容易实现，但受到诸如表面状态和铺层方式的影响较大，尤其在加筋板这种无法施加均匀载荷使之粘接牢固的结构中，很容易产生不稳定的扩展。上文截取的图像显示，共固化工艺界面的损伤均有向蒙皮内部扩展趋势，而共胶结工艺连接面多数损伤起始和扩展位置为胶接界面。应变数值跃动标示的筋条蒙皮分离起始同时或较早于裂纹观测仪的观测。而载荷位移曲线对于该种分离损伤的响应明显迟于上述两种观测的结果。这说明，虽然国内外学者的研究均说明筋条蒙皮之间的脱粘为整体加筋板破坏的直接诱因，但脱粘损伤的起始与破坏之间仍然有较大冗余空间，在该段空间内，筋条本身的折断和蒙皮损伤都有可能直接影响最终破坏。