趙明明，胡業(yè)發(fā)，張錦光，洪 濤

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué) 先進(jìn)材料制造技術(shù)與裝備研究院，湖北 武漢 430070)

近年來(lái)碳纖維復(fù)合材料因其比強(qiáng)度大、比模量高、抗疲勞性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)主承力和次承力結(jié)構(gòu)件上。汽車(chē)在實(shí)際的使用中，往往會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用，CFRP(carbon fiber reinforced polymer/plastic)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降對(duì)其力學(xué)性能造成了威脅。研究表明，低速?zèng)_擊作用后，CFRP結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)高達(dá)60%[1]，給CFRP結(jié)構(gòu)的使用性能帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。因此對(duì)CFRP膠接接頭低速?zèng)_擊的研究十分重要。

對(duì)于復(fù)合材料膠接接頭的低速?zèng)_擊及剩余強(qiáng)度分析問(wèn)題的研究主要分為3個(gè)方面：一是復(fù)合材料膠接接頭的基礎(chǔ)理論研究；二是復(fù)合材料膠接接頭的低速?zèng)_擊損傷研究；三是含低速?zèng)_擊損傷復(fù)合材料膠接接頭的剩余強(qiáng)度研究。有限元分析方法在研究膠接接頭的損傷行為問(wèn)題上具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前使用最多的內(nèi)聚力模型(cohesive zone model，CZM)，是損傷力學(xué)模型的一種。趙寧[2]、楊小輝[3]使用內(nèi)聚力模型，研究了膠接接頭的損傷行為；Floros[4]分別對(duì)I型、II型和混合型這3種斷裂模式下膠接接頭的損傷行為進(jìn)行了分析，預(yù)測(cè)了膠接接頭的強(qiáng)度；Shojaeefard[5]在ABAQUS軟件中編寫(xiě)了用戶(hù)子程序，使用內(nèi)聚力模型模擬膠層，分析得到了單搭接膠接接頭的強(qiáng)度。當(dāng)前，學(xué)者們普遍采用試驗(yàn)和有限元分析方法來(lái)研究膠接接頭的低速?zèng)_擊問(wèn)題。Vaidya[6]、李智[7]、Zhang[8]等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：橫向沖擊作用下膠層的應(yīng)力集中程度很高，當(dāng)膠接接頭需承受橫向沖擊載荷時(shí)，膠層屬于薄弱環(huán)節(jié)，需重點(diǎn)關(guān)注。Park等[9]發(fā)現(xiàn)：能使復(fù)合材料膠接接頭損傷面積急劇增加的沖擊能量存在閾值，沖擊能量的大小低于此閾值時(shí)，膠接接頭內(nèi)部的損傷面積很小。Choudhry等[10]研究了搭接長(zhǎng)度對(duì)接頭損傷模式的影響，發(fā)現(xiàn)搭接長(zhǎng)度有一定的特征范圍，不同的搭接長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致不同的損傷模式。Hoshi等[11]研究了斜搭接膠接接頭搭接角對(duì)沖擊后膠接接頭剩余拉伸強(qiáng)度的影響。Sun[12]研究了沖擊次數(shù)與CFRP單搭接膠接接頭剩余剛度、剩余強(qiáng)度之間的關(guān)系，得到膠層邊緣是膠接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)論。

從上述文獻(xiàn)可知，針對(duì)復(fù)合材料膠接接頭的靜態(tài)性能和低速?zèng)_擊問(wèn)題，學(xué)者們已開(kāi)展了較為深入的研究。但對(duì)于CFRP膠接接頭低速?zèng)_擊和剩余強(qiáng)度的全程分析研究很少?；诖耍P者以CFRP單搭接膠接接頭為研究對(duì)象，開(kāi)展低速?zèng)_擊和剩余強(qiáng)度的仿真研究和試驗(yàn)研究，研究搭接長(zhǎng)度對(duì)膠接接頭沖擊響應(yīng)和剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

使用ABAQUS軟件，完成了CFRP單搭接膠接接頭低速?zèng)_擊與剩余拉伸強(qiáng)度的全程分析。

1.1 低速?zèng)_擊仿真研究

1.1.1 低速?zèng)_擊仿真模型

CFRP單搭接膠接接頭尺寸如圖1所示，其低速?zèng)_擊模型包括沖頭、被粘件、墊板和膠層。沖頭為鋼制半球形沖頭，直徑16 mm，質(zhì)量1.5 kg。被粘件和墊板即CFRP層合板，使用的材料為FAW200RC38預(yù)浸布，具體參數(shù)如表1所示，鋪層方案參照ASTM D7136/D7136M-12標(biāo)準(zhǔn)中的[45/0/-45/90]s。膠層材料為Araldite?2015，膠粘劑材料屬性如表2所示。

圖1 CFRP單搭接膠接接頭尺寸圖

表1 FAW200RC38的材料屬性

表2 Araldite?2015的材料屬性

CFRP被粘件使用偏移方式生成0.19 mm厚連續(xù)殼單元和0.01 mm界面層單元。參考文獻(xiàn)[13]賦予層間單元樹(shù)脂材料屬性，如表3所示。

表3 層間界面層單元的材料屬性

為了簡(jiǎn)化分析，CFRP墊板只建立8層0.2 mm厚的面內(nèi)單元。裝配好后的有限元模型如圖2所示。

圖2 膠接接頭低速?zèng)_擊有限元模型

膠接接頭各處應(yīng)用Tie的接觸形式。沖頭賦予剛體屬性，將質(zhì)量施加到參考點(diǎn)上。接觸屬性是通用接觸，摩擦系數(shù)為0.1。

約束接頭下表面所有節(jié)點(diǎn)全部自由度。約束沖頭沿下落方向平動(dòng)外的其它自由度。根據(jù)能量和沖頭質(zhì)量，設(shè)定初始速度。

1.1.2 低速?zèng)_擊仿真結(jié)果

4 J沖擊能量作用下CFRP單搭接膠接接頭沖擊部位云圖如圖3所示。

圖3 沖擊部位云圖

仿真得到4 J沖擊能量作用下膠接接頭的損傷參數(shù)，如圖4所示。

圖4 沖擊能量下沖擊損傷參數(shù)

1.2 拉伸強(qiáng)度仿真研究

1.2.1 剩余強(qiáng)度仿真模型

拉伸有限元模型與低速?zèng)_擊有限元模型基本一致，刪掉沖頭及相關(guān)接觸屬性。約束A端30 mm區(qū)域全部自由度以及B端30 mm區(qū)域除水平方向(X)外的全部自由度。在B端建立參考點(diǎn)，將端面與參考點(diǎn)建立耦合，施加X(jué)方向位移載荷，如圖5所示。

圖5 CFRP單搭接膠接接頭強(qiáng)度有限元模型

使用數(shù)據(jù)傳遞功能，將沖擊損傷狀態(tài)導(dǎo)入拉伸仿真模型中，以實(shí)現(xiàn)全程分析。

1.2.2 拉伸強(qiáng)度仿真結(jié)果

對(duì)不同搭接長(zhǎng)度CFRP單搭接膠接接頭在無(wú)損和4 J沖擊能量沖擊后的剩余拉伸強(qiáng)度進(jìn)行研究。

隨著位移的施加，膠層的SDEG指數(shù)會(huì)逐漸變化，搭接長(zhǎng)度為20 mm的無(wú)損膠接接頭不同載荷下SDEG云圖如圖6所示。

圖6 無(wú)損CFRP單搭接膠接接頭膠層SDEG云圖

當(dāng)載荷達(dá)到1 320 N時(shí)，膠層兩端開(kāi)始出現(xiàn)損傷。隨著載荷增加，損傷越來(lái)越嚴(yán)重并向中部擴(kuò)展，載荷達(dá)到3 696 N時(shí)，膠層所有區(qū)域都出現(xiàn)了初始損傷。由6(c)圖還可看出，膠層左右兩端的SDEG指數(shù)并不呈軸對(duì)稱(chēng)，這是因?yàn)楫?dāng)載荷由被粘件傳遞到膠層時(shí)，膠層受力方向與最靠近膠層的CFRP單層的鋪層角度(45°)相近。當(dāng)載荷達(dá)到4 564 N時(shí)，膠層所有區(qū)域的SDEG值都超過(guò)了0.9，載荷無(wú)法繼續(xù)增加，膠層完全失效。

3種搭接長(zhǎng)度低速?zèng)_擊損傷接頭與無(wú)損接頭載荷-位移曲線對(duì)比如圖7所示。

圖7 無(wú)損和低速?zèng)_擊損傷CFRP單搭接膠接接頭的強(qiáng)度對(duì)比

無(wú)損膠接接頭的失效載荷隨搭接長(zhǎng)度變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨搭接長(zhǎng)度的增加，膠接接頭的失效載荷也增加，但是增長(zhǎng)幅度會(huì)逐漸下降。

圖8 無(wú)損膠接接頭失效載荷

3種搭接長(zhǎng)度低速?zèng)_擊損傷接頭與無(wú)損接頭拉伸強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同搭接長(zhǎng)度膠接接頭拉伸強(qiáng)度

由表4可知，4 J能量沖擊作用后，3種搭接長(zhǎng)度膠接接頭的拉伸強(qiáng)度均會(huì)出現(xiàn)下降?？梢园l(fā)現(xiàn)：隨著搭接長(zhǎng)度的增加，強(qiáng)度比會(huì)逐漸增加，當(dāng)搭接長(zhǎng)度從20 mm增加到30 mm時(shí)強(qiáng)度比增加比較明顯，從30 mm增加到40 mm時(shí)強(qiáng)度比增加幅度較小。

由分析結(jié)果可知：CFRP單搭接膠接接頭的強(qiáng)度比隨著搭接長(zhǎng)度的增加逐漸增加，搭接長(zhǎng)度增加到30 mm時(shí)，強(qiáng)度比達(dá)到80%左右，趨于穩(wěn)定。此時(shí)膠接接頭的剩余拉伸強(qiáng)度比較高，能承受比較大的載荷。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)件制作

CFRP被粘件及墊板采用的工藝為預(yù)浸料模壓成型工藝。再用Araldite?2015膠粘劑進(jìn)行膠接得到CFRP單搭接膠接接頭,接頭的基本參數(shù)及編號(hào)如表5所示。

表5 CFRP單搭接膠接接頭試驗(yàn)件的基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

采用的低速?zèng)_擊試驗(yàn)方法為落錘沖擊。沖擊試驗(yàn)裝置為BMC-B1落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。

拉伸試驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。安裝時(shí)夾持接頭兩端，未夾持區(qū)域長(zhǎng)度為120 mm，測(cè)試時(shí)的加載速度為0.2 mm/min。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

以20 mm搭接長(zhǎng)度的無(wú)損膠接接頭試驗(yàn)件為例，膠接接頭失效模式如圖9所示。

圖9 無(wú)損試驗(yàn)件的拉伸失效模式

由圖9可知，無(wú)損膠接接頭的失效模式主要為內(nèi)聚失效，即膠層因剪切強(qiáng)度不夠而在內(nèi)部出現(xiàn)破壞。

將無(wú)損膠接接頭在仿真和試驗(yàn)得到的載荷-位移曲線進(jìn)行比較，如圖10所示。從圖10可知，試驗(yàn)件失效位移都比仿真值大，這是由于試驗(yàn)夾持端的輕微滑動(dòng)造成的。計(jì)算得到無(wú)損接頭的試驗(yàn)與仿真拉伸強(qiáng)度結(jié)果如表6所示。誤差10%左右，在合理范圍內(nèi)。

圖10 無(wú)損膠接接頭仿真與試驗(yàn)載荷-位移曲線

表6 無(wú)損接頭的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

以搭接長(zhǎng)度為20 mm的試驗(yàn)件為例，沖擊后試驗(yàn)件的表面損傷情況如圖11所示。

圖11 搭接長(zhǎng)度為20 mm的試驗(yàn)件沖擊部位圖

在4 J沖擊能量下，3種搭接長(zhǎng)度的膠接接頭試驗(yàn)件的拉伸失效模式如圖12所示。由圖12可知，含沖擊損傷膠接接頭拉伸失效模式也主要為膠層的內(nèi)聚失效，且沖擊載荷都對(duì)膠層造成了一定程度的損傷。

圖12 含沖擊損傷試驗(yàn)件的拉伸失效模式

4 J能量沖擊后，不同搭接長(zhǎng)度的膠接接頭拉伸載荷-位移曲線如圖13所示。

圖13 含沖擊損傷試驗(yàn)件的載荷-位移曲線

根據(jù)圖13計(jì)算得到剩余拉伸強(qiáng)度，與仿真值進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如表7所示。由表7可知，含低速?zèng)_擊損傷接頭在試驗(yàn)中獲得的剩余拉伸強(qiáng)度平均值也均小于仿真值，最大誤差為15.2%。

表7 含沖擊損傷試驗(yàn)件試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

以CFRP單搭接膠接接頭為研究對(duì)象，采用有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，研究了搭接長(zhǎng)度對(duì)含低速?zèng)_擊損傷膠接接頭剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)拉伸載荷下CFRP單搭接膠接接頭的失效位置發(fā)生在膠層，損傷由兩端向中部擴(kuò)展，擴(kuò)展方向近似等于最靠近膠層的CFRP單層的角度。

(2)隨著搭接長(zhǎng)度的增加，無(wú)損膠接接頭的拉伸強(qiáng)度會(huì)增加，在相同的沖擊載荷下的剩余拉伸強(qiáng)度也會(huì)增加。

(3)CFRP單搭接膠接接頭的強(qiáng)度比隨著搭接長(zhǎng)度的增加逐漸增加，搭接長(zhǎng)度增加到30 mm時(shí)，強(qiáng)度比達(dá)到80%左右，并趨于穩(wěn)定，不再隨著搭接長(zhǎng)度的增加大幅上升,此時(shí)膠接接頭能承受比較大的載荷。