铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响

材料工程与机械制造

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铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响

邹田春, 巨乐章(), 管玉玺, 李泽钢, 陈红呈

中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300

收稿日期:2022-11-15 修回日期:2022-12-15 接受日期:2023-02-06 出版日期:2023-09-25 发布日期:2023-02-13
通讯作者: 巨乐章 E-mail:juyuezhang1@163.com

Effect of stacking sequence on fatigue behavior of CFRP⁃Al joint

Tianchun ZOU, Yuezhang JU(), Yuxi GUAN, Zegang LI, Hongcheng CHEN

College of Safety Science and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2022-11-15 Revised:2022-12-15 Accepted:2023-02-06 Online:2023-09-25 Published:2023-02-13
Contact: Yuezhang JU E-mail:juyuezhang1@163.com

摘要/Abstract

摘要：

通过Abaqus建立铺层方式为［0/90］_4s、［0/45/-45/90］_2s、［45/-45］_4s的碳纤维增强复合材料（CFRP）-铝合金单搭接胶接接头有限元仿真模型，使用循环内聚力模型（CCZM）模拟胶层的损伤演化过程，通过分析接头的刚度退化、裂纹扩展以及应力分布情况，探究铺层方式对CFRP-铝合金胶接接头疲劳行为的影响。将接头的疲劳寿命试验值与仿真值进行对比，验证该模型的有效性。结果表明：从［0/90］_4s到［0/45/-45/90］_2s再到［45/-45］_4s，随着CFRP层合板中±45°铺层所占比例的增加，接头损伤累积阶段占全部疲劳寿命的比例逐渐减小，疲劳裂纹扩展阶段占比逐渐增加。CFRP-铝合金胶接接头应力主要通过纤维由CFRP端向铝合金端传播，且在±45°铺层的交叉处出现的应力集中破坏了裂纹扩展速率沿搭接宽度方向的均匀性，随着±45°铺层所占比例的增加，接头搭接区域沿宽度方向的中部裂纹扩展速率与两侧区域的裂纹扩展速率差逐渐增大，胶层破坏所呈现的弧度增大。

关键词: CFRP-铝合金, 铺层方式, 刚度退化, 裂纹扩展, 应力分布, 有限元仿真

Abstract:

The finite element simulation model of Carbon Fiber Reinforced Plastics （CFRP）-aluminum single lap adhesive joint was established by Abaqus. The stacking sequences of CFRP laminate were set as ［0/90］_4s，［0/45/-45/90］_2s and ［45/-45］_4s. And the Cyclic Cohesive Zone Model （CCZM） was used to simulate the damage and evolution of the adhesive layer. The stiffness degradation， crack propagation and stress distribution of the joint were analyzed to investigate the effect of stacking sequence on the joint fatigue behavior. The experimental values of the joint fatigue life were compared with the simulated values to verify the validity of the model. The results show that from ［0/90］_4s to ［0/45/-45/90］_2s， then to ［45/-45］_4s， as the proportion of ±45° plies in CFRP laminates increases， the proportion of the joint damage accumulation stage to the total fatigue life gradually decreases and the proportion of the fatigue crack extension stage gradually increases. In addition， the joint stress mainly propagates through the fiber from the CFRP end to the aluminum end， and the stress concentration area is prone to occur at the intersection of ±45° plies， which destroys the uniformity of crack propagation rate， leading to the gradual increase in the crack growth rate difference between the middle region and the two sides of the joint with the increase of ±45° plies， and eventually the radian of the adhesive layer failure increases.

Key words: CFRP-Al, stacking sequence, stiffness degradation, crack propagation, stress distribution, finite element simulation

中图分类号:

V257

邹田春, 巨乐章, 管玉玺, 李泽钢, 陈红呈. 铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 428264-428264.

Tianchun ZOU, Yuezhang JU, Yuxi GUAN, Zegang LI, Hongcheng CHEN. Effect of stacking sequence on fatigue behavior of CFRP⁃Al joint[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(18): 428264-428264.

图/表 24

表 1

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图10

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参考文献 36

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
纵向弹性模量E₁/MPa	121 000
纬向弹性模量E₂/MPa	8 600
剪切模量G₁₂/MPa	3 450
泊松比μ	0.301
密度ρ/（kg·m^-3）	1 570
纵向拉伸强度X_T/MPa	2 376
纵向压缩强度X_C/MPa	123
纬向拉伸强度Y_T/MPa	69
纬向压缩强度Y_C/MPa	9.82
面内剪切强度S/MPa	145

参数	数值
弹性模量E/MPa	71 700
泊松比μ	0.32
密度ρ/（kg·m^-3）	3 000

参数	数值
弹性模量E/MPa	1 850
剪切模量G/MPa	560
拉伸强度T_I/MPa	21.6
剪切强度T_II/MPa	17.9
法向断裂能G_IC/（N·mm^-1）	0.43
剪切断裂能G_IIC/（N·mm^-1）	4.70

i	ln ln［1/R（t）］	75%载荷水平（4.45 kN）		55%载荷水平（3.26 kN）		35%载荷水平（2.08 kN）		25%载荷水平（1.48 kN）
i	ln ln［1/R（t）］	t	ln t	t	ln t	t	ln t	t	ln t
1	-1.753	474	6.161	2 442	7.801	33 364	10.415	99 998	11.513
2	-0.717	638	6.458	3 283	8.097	68 903	11.140	179 375	12.097
3	-0.050	1 026	6.933	5 235	8.563	103 672	11.549	252 329	12.620
4	0.609	1 248	7.129	7 562	8.931	135 573	11.817	457 897	13.034

i	ln ln［1/R（t）］	75%载荷水平（3.30 kN）		55%载荷水平（2.42 kN）		45%载荷水平（1.98 kN）		35%载荷水平（1.54 kN）
i	ln ln［1/R（t）］	t	ln t	t	ln t	t	ln t	t	ln t
1	-1.753	3 706	8.218	4 072	8.312	15 661	9.659	30 780	10.335
2	-0.717	4 184	8.339	9 015	9.107	37 542	10.533	81 592	11.309
3	-0.050	6 464	8.774	10 837	9.291	52 921	10.877	215 581	12.281
4	0.609	10 801	9.287	20 441	9.925	103 162	11.544	258 906	12.574

铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响

Effect of stacking sequence on fatigue behavior of CFRP⁃Al joint

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铺层方式	载荷水平		α	β	试验		仿真		相对误差/%
铺层方式	比例/%	数值/kN	α	β	平均疲劳寿命	lg N	疲劳寿命	lg N	相对误差/%
［0/90］_4s	75	4.45	2.25	975.56	864	2.94	950	2.98	1.4
	55	3.26	1.98	5 372.48	4 763	3.68	5 924	3.78	2.5
	35	2.08	1.64	100 859.46	90 269	4.96	94 050	4.97	0.3
	25	1.48	1.53	305 218.04	275 001	5.44	380 100	5.58	2.6
［0/45/-45/90］_2s	75	3.30	1.95	7 201.55	6 387	3.81	7 750	3.89	2.2
	55	2.42	1.50	12 750.60	11 515	4.06	16 360	4.21	3.8
	45	1.98	1.27	66 327.65	61 611	4.79	85 300	4.93	2.9
	35	1.54	1.01	151 856.77	154 392	5.19	214 600	5.33	2.7
［45/-45］_4s	75	2.64	1.80	1 869.33	1 662	3.22	2 165	3.34	3.5
	65	2.29	1.41	17 804.99	16 218	4.20	19 450	4.29	1.8
	55	1.94	1.06	126 157.07	123 734	5.09	156 060	5.19	1.9
	45	1.58	0.86	312 126.17	337 158	5.53	456 740	5.66	2.4

铺层方式	初始刚度/（N·mm^-1）
［0/90］_4s	9 509.01
［0/45/-45/90］_2s	8 069.37
［45/-45］_4s	3 918.38

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i	ln ln［1/R（t）］	75%载荷水平（2.64 kN）		65%载荷水平（2.29 kN）		55%载荷水平（1.94 kN）		45%载荷水平（1.58 kN）
i	ln ln［1/R（t）］	t	ln t	t	ln t	t	ln t	t	ln t
1	-1.753	824	6.714	4 928	8.503	27 448	10.220	51 592	10.851
2	-0.717	1 015	6.923	10 119	9.222	55 589	10.926	120 667	11.701
3	-0.050	1 711	7.445	16 734	9.725	150 917	11.924	264 656	12.486
4	0.609	2 716	7.907	25 827	10.159	215 542	12.281	789 365	13.579

铺层方式	载荷水平		G_max/（J·m^-2）	da/dN
铺层方式	比例/%	数值/kN	G_max/（J·m^-2）	da/dN
［0/90］_4s	75	4.45	1 640	0.602
	55	3.26	860	0.091
	35	2.08	350	0.007
	25	1.48	177	0.001
［0/45/-45/90］_2s	75	3.30	1 027	0.153
	55	2.42	552	0.025
	45	1.98	370	0.008
	35	1.54	224	0.002
［45/-45］_4s	75	2.64	776	0.067
	65	2.29	584	0.029
	55	1.94	419	0.011
	45	1.58	278	0.003