摘要：為指導(dǎo)層壓板膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高層壓板膠接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，基于ABAQUS軟件及其用戶自定義場(chǎng)變量子程序(USDFLD)和內(nèi)聚力單元，建立了同時(shí)考慮層壓板與膠層損傷與失效的層壓板單搭接膠接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，模型預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.基于該模型對(duì)層壓板單搭接膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析與承載能力影響因素分析，結(jié)果表明：膠接結(jié)構(gòu)中膠層剝離應(yīng)力在膠層內(nèi)呈對(duì)稱分布且兩端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，膠層的失效從膠層的兩端向中間逐漸擴(kuò)展;膠層剪應(yīng)力沿膠層長(zhǎng)度方向呈兩端高中間低的“凹”形分布;搭接長(zhǎng)度是影響膠接接頭強(qiáng)度的主要因素，隨著搭接長(zhǎng)度的增大，膠接接頭的強(qiáng)度隨之增大并最終趨于穩(wěn)定值;膠接接頭強(qiáng)度和剛度隨層壓板厚度的增大而增大，但增加幅度較小;層壓板鋪層形式對(duì)膠接結(jié)構(gòu)的承載能力幾乎無影響.

　　關(guān)鍵詞：層壓板;膠接結(jié)構(gòu);ABAQUS;子程序;內(nèi)聚力單元;漸進(jìn)損傷;強(qiáng)度預(yù)報(bào)

　　隨著復(fù)合材料層壓板在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇等結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用[1–3]，層壓板結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)必將引起人們的廣泛關(guān)注[4].膠接連接與機(jī)械連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的兩種連接形式.相對(duì)于機(jī)械連接 而言，膠接連接具有結(jié)構(gòu)輕、不引起應(yīng)力集中、基本層壓板強(qiáng)度不下降等優(yōu)點(diǎn)[5].

　　因此，為獲得更加可靠的層壓板膠接結(jié)構(gòu)，有必要開展層壓板基本膠接結(jié)構(gòu)的損傷與失效行為的分析與研究.近年來，累積損傷的數(shù)值分析方法被人們廣泛地用于層壓板結(jié)構(gòu)的失效分析與強(qiáng)度預(yù)測(cè)，該方法可以從復(fù)合材料的損傷機(jī)理出發(fā)判定層壓板受載過程中出現(xiàn)的各種不同損傷模式[6–9].此外，基于內(nèi)聚力理論的內(nèi)聚力模型，是一種簡(jiǎn)化的力學(xué)模型，該模型可以實(shí)現(xiàn)膠接結(jié)構(gòu)中膠層內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)及其損傷過程分析[10-12].

　　本文將累積損傷模型及內(nèi)聚力模型相結(jié)合，基于ABAQUS軟件建立層壓板基本膠接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，預(yù)報(bào)層壓板基本膠接結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度，計(jì)算膠接接頭搭接區(qū)的應(yīng)力分布，分析膠接接頭搭接區(qū)的損傷與失效行為.在此基礎(chǔ)上，研究接頭幾何、材料參數(shù)等對(duì)膠接結(jié)構(gòu)承載能力的影響，指導(dǎo)層壓板膠接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而提高膠接結(jié)構(gòu)的可靠性.

　　1試驗(yàn)

　　層壓板基本膠接結(jié)構(gòu)分兩種連接形式：平面型連接和正交型連接.本文以平面型單搭接基本膠接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，開展其損傷失效行為的分析與研究.

　　1.1試驗(yàn)材料

　　層壓板材料為T700/環(huán)氧5228預(yù)浸料，由中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院提供;膠層材料為J–302改性環(huán)氧樹脂膠黏劑，由黑龍江省石油化學(xué)研究院提供.

　　2數(shù)值模型

　　基于ABAQUS軟件建立單搭接膠接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，采用累計(jì)損傷方法分析層壓板的損傷與失效，采用內(nèi)聚力單元進(jìn)行膠層的失效分析.

　　2.1層壓板損傷模型針對(duì)單搭接膠接結(jié)構(gòu)中層壓板的受力情況(面內(nèi)載荷作用)考慮了以下幾種失效模式：基體拉伸/壓縮失效和纖維/基體的剪切失效。

　　3結(jié)果分析

　　基于上述數(shù)值模型，預(yù)報(bào)層壓板單搭接膠接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的承載能力。由于模型中采用部分剛度衰減的方式，因此模擬曲線形狀與試驗(yàn)曲線形狀存在一定差異.但極限載荷的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，即隨著外載荷的增加，結(jié)構(gòu)的承載能力以直線狀態(tài)逐漸增大.當(dāng)載荷達(dá)到某一值時(shí)，結(jié)構(gòu)中的膠層或者是膠層附近的復(fù)合材料層將發(fā)生損傷失效，結(jié)構(gòu)隨后發(fā)生脆性失效.模擬預(yù)報(bào)的層壓板單搭接膠接結(jié)構(gòu)的極限載荷為5203.82N，與試驗(yàn)值5348.3N誤差為3%.可見，上述數(shù)值模型能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的承載能力，可用于后續(xù)的計(jì)算分析.

　　3.2數(shù)值結(jié)果分析

　　3.2.1膠層內(nèi)應(yīng)力分布與損傷失效分析

　　提取加載歷程中5個(gè)具有代表性的加載點(diǎn)，搭接區(qū)內(nèi)沿膠層長(zhǎng)度方向膠層應(yīng)力分布.(1)膠層內(nèi)法向正應(yīng)力沿膠層長(zhǎng)度方向呈對(duì)稱分布;(2)膠層兩端存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其值遠(yuǎn)高于中間的應(yīng)力;(3)隨著載荷的增加，膠層中部的應(yīng)力逐漸增大;(4)對(duì)應(yīng)于載荷–位移曲線，當(dāng)位移載荷u=0.8mm時(shí)，即結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載能力狀態(tài)，膠層兩端的法向正應(yīng)力與膠層中間的法向正應(yīng)力比較接近，膠層處于充分的承載狀態(tài);當(dāng)位移載荷u=1mm時(shí)，結(jié)構(gòu)失去承載能力，此時(shí)膠層正應(yīng)力接近于零.

　　材料論文投稿刊物：《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》為北京航空航天大學(xué)和中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)主辦的學(xué)術(shù)性科技期刊(雙月刊，200 多頁(yè)/期)。 《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》是美國(guó)工程索引《Ei Compendex》的核心檢索收錄刊，同時(shí)也是美國(guó)化學(xué)文摘《CA》、俄羅斯文摘雜志《AJ》、美國(guó)應(yīng)用力學(xué)評(píng)論《Appl.Mech.Rev.》、劍橋科學(xué)文摘(工程類)《CSA2》等國(guó)際檢索系統(tǒng)用刊。在中文數(shù)據(jù)庫(kù)中，《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》為《中國(guó)期刊網(wǎng)全文收錄數(shù)據(jù)庫(kù)》的收錄期刊。

　　4結(jié)論

　　(1)層壓板單搭接膠接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載能力的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可以利用該模型進(jìn)行層壓板膠接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)及應(yīng)力與失效模式分析，指導(dǎo)層壓板膠接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).

　　(2)膠接結(jié)構(gòu)中膠層剝離應(yīng)力在膠層內(nèi)呈對(duì)稱分布，膠層兩端存在應(yīng)力集中，膠層的失效從膠層的兩端向中間逐漸擴(kuò)展;膠層剪應(yīng)力沿膠層長(zhǎng)度方向呈兩端高中間低的“凹”形分布.

　　(3)搭接長(zhǎng)度是影響膠接接頭強(qiáng)度的主要因素，隨著搭接長(zhǎng)度的增大，膠接接頭的強(qiáng)度隨之增大，但增幅逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定.

　　(4)膠接接頭強(qiáng)度和剛度隨層壓板厚度的增大而增大，但增加幅度均較小;層壓板鋪層形式對(duì)膠接結(jié)構(gòu)的承載能力幾乎無影響.

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　　作者：王曉宏1，劉長(zhǎng)喜1，畢鳳陽(yáng)1，武玉芬2，邢立峰3