单搭层合板胶接接头界面应力分析

2023.07.29

张锦涛　杨银环

摘要：为研究T700/ TDE86复合材料单向层合板单搭接接头在单向拉伸载荷作用下的界面应力分布情况，采用有限元方法对接头进行数值计算，模拟了接头搭接区界面剥离应力及剪切应力分布情况，并分析粘接体厚度对接头最大应力的影响。

关键词：层合板；单搭胶接接头；界面；应力分析

随着航空航天技术的发展，胶接连接技术得到越来越广泛的应用。胶接技术 [1]现已成为航空航天工艺中不可缺少的一种连接工艺技术。由于有限元商业应用软件的成熟使用，采用有限元方法分析接头的应力已成为必不可少的研究手段。尽管前人已经做了一些对胶接接头的研究，但为了分析T700/TDE86复合材料单向层合板单搭胶接接头的界面应力分布情况及层合板厚度对最大应力的影响，本文作者应用ANSYS10.0有限元分析软件，分析接头搭接区界面剥离及剪切应力分布情况；同时分析了粘接体厚度对接头界面最大剥离/剪切应力值的影响。

1 数值模型

T700/TDE86环氧树脂基复合材料单向板力学性能及胶层力学性能见文献[7]。接头几何尺寸为：胶接接头整体长度为200mm，宽度为25mm，搭接长度为20mm，胶层厚度为0.3mm；层合板厚度2mm，铺设方式为[0]10，纤维体积含量60%，单向层合板铺层角度与加载方向成0°角。约束及加载情况为：一端固定，一端施加9.0kN的轴向拉力，接头两端分别在40mm长度区域层合板表面节点限定了Y、Z方向的位移。图1为整体及局部网格划分，最大单元尺寸为1mm，最小单元尺寸为0.1mm。在接头搭接区端部进行网格细化。

2 界面应力分布

图2给出了接头搭接区界面的面内应力及面外应力的分布。从图中可以看到，剪应力和剥离应力在接头搭接区端部有明显的应力集中，但剥离应力比剪应力小，因此剪应力是影响接头强度的主要因素，导致接头更易发生界面破坏。数值计算得出界面剪应力集中发生在距搭接区自由端部1.25mm位置，且剪应力沿搭接长度是对称分布的。

3 层合板厚度的影响

（1）对于胶层厚度为0.3mm，搭接长度为20mm接头，粘接体厚度分别取：1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm和3.5mm；

图3为胶接界面最大应力随粘接体厚度的变化曲线。由图3可见，当两粘接体厚度相同时，随着粘接体厚度的增大，接头界面的最大剥离应力增大，最大剪应力减小。相对而言，接头界面最大剪应力随粘接体厚度变化较小，例如，粘接体厚度为2mm是粘接体厚度为1mm的2倍，而前者界面最大剥离应力是后者的1.36倍，最大剪应力比值为0.984；比较粘接体厚度为3mm和2mm的接头，前者厚度是后者的1.5倍，而最大剥离应力比值为1.05，最大剪应力比值为0.995。实验结果表明，层合板厚度增加1.5倍，而接头强度增加1.35倍，说明接头的破坏主要受剪应力的影响。同时随着粘接体厚度的增大，接头强度在一定程度上受到界面剥离应力的影响，由此证明数值模拟结果与实验结果相符。

4 结论

通过应用有限元计算方法，对T700/TDE86单向板单搭胶接接头在单向载荷下的界面应力分布情况进行了研究。

（1）剪应力和剥离应力在距接头搭接区端部1.25mm位置有明显的应力集中，是影响接头强度的主要因素；

（2）随着层合板厚度的增加，接头界面的最大剥离应力值增大，最大剪应力值减小；剥离应力受层合板厚度的影响相对较大。

参考文献：

[1][美] R. M. 琼斯著，朱颐龄等译校. 复合材料力学[M]，上海科学技术出版社， 1981： 14-17.

[2]Fitton M D， Broughton J G. Variable Modulus Adhesives： an Approach to Optimised Joint Performance [J]. International Journal of Adhesion & Adhesives， 2005， 25： 329-336.

[3]Hoang-Ngoc C-T， Paroissien E. Simulation of Single-lap Bonded and Hybrid （Bolted/Bonded） Joints with Flexible Adhesive [J]. International Journal of Adhesion & Adhesives， 2010， 30： 117-129.

[4]Panigrahi S K， Pradhan B. Through-the-width Delamination Damage Propagation Characteristics in Single-lap Laminated FRP Composite Joints [J]. International Journal of Adhesion & Adhesives， 2009， 29： 114-124.

[5]Panigrahi S K， Pradhan B. Onset and Growth of Adhesion Failure and Delamination Induced Damages in Double Lap Joint of Laminated FRP Composites [J]. Composite Structures， 2008， 85： 326-336.

[6]Gon-calves J P M.， Moura M F S F， Castro P M S T. A three-dimensional Finite Element Model for Stress Analysis of Adhesive Joints [J]. International Journal of Adhesion & Adhesives， 2002， 22： 357-365.

[7]杨银环，周振功，郭颖，吴林志. 缺陷对单搭胶接接头力学性能的影响，复合材料学报，2012， 29（5）：157-163.