摘要：為指導層壓板膠接結構設計，提高層壓板膠接結構的穩定性，基于ABAQUS軟件及其用戶自定義場變量子程序(USDFLD)和內聚力單元，建立了同時考慮層壓板與膠層損傷與失效的層壓板單搭接膠接結構的數值分析模型，模型預報結果與試驗結果基本吻合.基于該模型對層壓板單搭接膠接結構進行應力分析與承載能力影響因素分析，結果表明：膠接結構中膠層剝離應力在膠層內呈對稱分布且兩端存在應力集中現象，膠層的失效從膠層的兩端向中間逐漸擴展;膠層剪應力沿膠層長度方向呈兩端高中間低的“凹”形分布;搭接長度是影響膠接接頭強度的主要因素，隨著搭接長度的增大，膠接接頭的強度隨之增大并最終趨于穩定值;膠接接頭強度和剛度隨層壓板厚度的增大而增大，但增加幅度較小;層壓板鋪層形式對膠接結構的承載能力幾乎無影響.

　　關鍵詞：層壓板;膠接結構;ABAQUS;子程序;內聚力單元;漸進損傷;強度預報

　　隨著復合材料層壓板在飛機、導彈、艦艇等結構中的廣泛應用[1–3]，層壓板結構的連接設計必將引起人們的廣泛關注[4].膠接連接與機械連接是復合材料結構設計中常用的兩種連接形式.相對于機械連接 而言，膠接連接具有結構輕、不引起應力集中、基本層壓板強度不下降等優點[5].

　　因此，為獲得更加可靠的層壓板膠接結構，有必要開展層壓板基本膠接結構的損傷與失效行為的分析與研究.近年來，累積損傷的數值分析方法被人們廣泛地用于層壓板結構的失效分析與強度預測，該方法可以從復合材料的損傷機理出發判定層壓板受載過程中出現的各種不同損傷模式[6–9].此外，基于內聚力理論的內聚力模型，是一種簡化的力學模型，該模型可以實現膠接結構中膠層內的應力狀態及其損傷過程分析[10-12].

　　本文將累積損傷模型及內聚力模型相結合，基于ABAQUS軟件建立層壓板基本膠接結構的數值分析模型，預報層壓板基本膠接結構的失效強度，計算膠接接頭搭接區的應力分布，分析膠接接頭搭接區的損傷與失效行為.在此基礎上，研究接頭幾何、材料參數等對膠接結構承載能力的影響，指導層壓板膠接結構的設計，從而提高膠接結構的可靠性.

　　1試驗

　　層壓板基本膠接結構分兩種連接形式：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構為研究對象，開展其損傷失效行為的分析與研究.

　　1.1試驗材料

　　層壓板材料為T700/環氧5228預浸料，由中國航空工業第一集團公司北京航空材料研究院提供;膠層材料為J–302改性環氧樹脂膠黏劑，由黑龍江省石油化學研究院提供.

　　2數值模型

　　基于ABAQUS軟件建立單搭接膠接結構的數值分析模型，采用累計損傷方法分析層壓板的損傷與失效，采用內聚力單元進行膠層的失效分析.

　　2.1層壓板損傷模型針對單搭接膠接結構中層壓板的受力情況(面內載荷作用)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結果分析

　　基于上述數值模型，預報層壓板單搭接膠接結構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曲線形狀存在一定差異.但極限載荷的模擬結果與試驗結果基本吻合，即隨著外載荷的增加，結構的承載能力以直線狀態逐漸增大.當載荷達到某一值時，結構中的膠層或者是膠層附近的復合材料層將發生損傷失效，結構隨后發生脆性失效.模擬預報的層壓板單搭接膠接結構的極限載荷為5203.82N，與試驗值5348.3N誤差為3%.可見，上述數值模型能夠比較準確地預報結構的承載能力，可用于后續的計算分析.

　　3.2數值結果分析

　　3.2.1膠層內應力分布與損傷失效分析

　　提取加載歷程中5個具有代表性的加載點，搭接區內沿膠層長度方向膠層應力分布.(1)膠層內法向正應力沿膠層長度方向呈對稱分布;(2)膠層兩端存在明顯的應力集中現象，其值遠高于中間的應力;(3)隨著載荷的增加，膠層中部的應力逐漸增大;(4)對應于載荷–位移曲線，當位移載荷u=0.8mm時，即結構達到最大承載能力狀態，膠層兩端的法向正應力與膠層中間的法向正應力比較接近，膠層處于充分的承載狀態;當位移載荷u=1mm時，結構失去承載能力，此時膠層正應力接近于零.

　　材料論文投稿刊物：《復合材料學報》為北京航空航天大學和中國復合材料學會主辦的學術性科技期刊(雙月刊，200 多頁/期)。 《復合材料學報》是美國工程索引《Ei Compendex》的核心檢索收錄刊，同時也是美國化學文摘《CA》、俄羅斯文摘雜志《AJ》、美國應用力學評論《Appl.Mech.Rev.》、劍橋科學文摘(工程類)《CSA2》等國際檢索系統用刊。在中文數據庫中，《復合材料學報》為《中國期刊網全文收錄數據庫》的收錄期刊。

　　4結論

　　(1)層壓板單搭接膠接結構的數值分析模型對結構極限承載能力的預報結果與試驗結果吻合較好，可以利用該模型進行層壓板膠接結構的強度預報及應力與失效模式分析，指導層壓板膠接結構的設計.

　　(2)膠接結構中膠層剝離應力在膠層內呈對稱分布，膠層兩端存在應力集中，膠層的失效從膠層的兩端向中間逐漸擴展;膠層剪應力沿膠層長度方向呈兩端高中間低的“凹”形分布.

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

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

　　參考文獻：

　　[1]春勝利，黃榴紅，李勇峰.碳纖維及其在復合材料方面的應用[J].玻璃鋼，2005(2)：5–14.

　　[2]杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2007，24(1)：1–12.

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

　　[4]汪裕炳，張全純.復合材料的結構連接[M].北京：國防工業出版社，1992.

　　[5]謝鳴九，黎觀生，章怡寧.復合材料連接[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

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

　　作者：王曉宏1，劉長喜1，畢鳳陽1，武玉芬2，邢立峰3