基于表面应变法的DCB胶接界面断裂行为

doi:10.7527/S1000-6893.2025.33236

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

基于表面应变法的DCB胶接界面断裂行为

靳易霖¹, 刘雨生², 张世杰¹, 刘家成¹, 姚旭丹¹^,³, 汪万栋¹^,³()

^1.西北工业大学航空学院，西安 710072
^2.沈阳飞机设计研究所结构部，沈阳 110087
^3.强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710072

收稿日期:2025-12-15 修回日期:2025-12-30 接受日期:2026-01-14 出版日期:2026-01-26 发布日期:2026-01-19
通讯作者: 汪万栋 E-mail:w.wang@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12272303);国家自然科学基金(52302457)

Fracture behavior of DCB bonded interface based on surface strain method

Yilin JIN¹, Yusheng LIU², Shijie ZHANG¹, Jiacheng LIU¹, Xudan YAO¹^,³, Wandong WANG¹^,³()

^1.College of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.Department of Structures，Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Shenyang 110087，China
^3.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Xi’an 710072，China

Received:2025-12-15 Revised:2025-12-30 Accepted:2026-01-14 Online:2026-01-26 Published:2026-01-19
Contact: Wandong WANG E-mail:w.wang@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12272303)

摘要/Abstract

摘要：

为满足先进轻量化胶接结构的完整性需求，基于纵向应变一致准则，设计了可实现纯Ⅰ型断裂的同质（钛合金-钛合金，Ti-Ti）与异质（碳纤维增强复合材料-钛合金，Carbon Fiber Reinforced Polymer-Titanium alloy，CFRP-Ti）双悬臂梁（DCB）胶接接头，并结合分布式光纤传感（DOFS）技术与欧拉-伯努利梁理论，应用了一种基于表面应变测定来推导界面牵引-分离关系（TSR）与断裂韧性的方法，系统研究了2类接头在Ⅰ型载荷作用下的断裂行为，阐明了不同被粘物组合条件下对胶接界面的TSR、断裂韧性以及断裂过程区（FPZ）的影响机理。研究表明，该方法可有效获取断裂全过程的TSR、断裂韧性、裂纹扩展长度、内聚区尺寸等参数。将测量得到的试验数据输入有限元中进行数值仿真，可以完美复现试验过程。在纯Ⅰ型载荷下，同质与异质接头的断裂韧性分别为（0.45±0.04） N/mm和（0.49±0.08） N/mm，发现其宏观断裂韧性与内聚力本构关系受被粘物材料的影响不显著。然而，异质接头中被粘物的刚度失配显著影响FPZ的力学行为，其表现出更高的峰值牵引力（（20±1） MPa）及不同的牵引力分布形态。通过提取界面上的牵引力分布，实现了对裂纹长度与断裂过程区的精确量化，为先进轻质胶接结构的失效分析与性能评估提供了重要的理论依据与数据支撑。

关键词: 牵引分离定律, DCB, Ⅰ型断裂, 被粘物, 表面应变, 分布式光纤传感

Abstract:

To meet the integrity requirements of advanced lightweight bonded structures， this study designed conventional （Titanium alloy-Titanium alloy， Ti-Ti） and bi-material （Carbon Fiber Reinforced Polymer-Titanium alloy， CFRP-Ti） Double Cantilever Beam （DCB） bonded joints capable of achieving pure Mode Ⅰ fracture based on the longitudinal strain consistency criterion， focusing on the fracture behavior of CFRP-Ti bi-material bonded joints （a key load-bearing component in lightweight structures） under Mode Ⅰ loading； meanwhile， integrating Distributed Optical Fiber Sensing （DOFS） technology with Euler-Bernoulli beam theory， a method for deriving the interface Traction-Separation Relationship （TSR） and fracture toughness based on surface strain measurements was proposed. Through systematic investigation of the fracture behavior of the two types of joints under Mode Ⅰ loading， the influence mechanisms of different adherend combinations on the interfacial TSR， fracture toughness， and Fracture Process Zone （FPZ） were clarified. Results show that the proposed method can effectively obtain key parameters throughout the fracture process， including TSR， fracture toughness， crack propagation length， and cohesive zone size， and inputting the measured test data into finite element simulations enables accurate reproduction of the test process. Under pure Mode Ⅰ loading， the fracture toughness of the conventional and bi-material joints are （0.45±0.04） N/mm and （0.49±0.08） N/mm， respectively， indicating that the macroscopic fracture toughness and cohesive constitutive relationship are mainly dominated by the adhesive layer’s own properties with no significant influence from the adherend materials； however， the stiffness mismatch of adherends in the bi-material joint significantly affects the mechanical behavior of the FPZ， which exhibits a higher peak traction （（20±1） MPa） and distinct traction distribution characteristics. By extracting the traction distribution at the interface， precise quantification of the crack length and FPZ is achieved， providing important theoretical basis and data support for the failure analysis and performance evaluation of advanced lightweight bonded structures.

Key words: traction separation relationship, double cantilever beam, Mode Ⅰ fracture, adherends, surface strain, distributed optical fiber sensing

中图分类号:

V215.6

靳易霖, 刘雨生, 张世杰, 刘家成, 姚旭丹, 汪万栋. 基于表面应变法的DCB胶接界面断裂行为[J]. 航空学报, 2026, 47(17): 233236.

Yilin JIN, Yusheng LIU, Shijie ZHANG, Jiacheng LIU, Xudan YAO, Wandong WANG. Fracture behavior of DCB bonded interface based on surface strain method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(17): 233236.

图/表 25

图 1

表1

材料的力学性能参数

材料	弹性模量 $E x$ /MPa	弹性模量 $E y$ ， $E z$ /MPa	弯曲模量 $E f$ /MPa	剪切模量 $G x$ /MPa	泊松比 $ν$
TC4^［24］	116 533	116 533	116 533±2 938	42 000	0.33
CFRP^［25］	130 000	8 000	110 153±3 035	5 200	0.3
Araldite^®2015^［27］	1 850	1 850		560	0.33

表1

表2

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

参考文献 32

[1]	张金栋，李昶，刘刚，等. 航空级碳纤维增强树脂基复合材料的胶接研究进展［J］. 复合材料学报， 2025， 42（8）： 4199-4212.
	ZHANG J D， LI C， LIU G， et al. Research progress in adhesive bonding for aviation grade carbon fiber reinforced polymer composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2025， 42（8）： 4199-4212 （in Chinese）.
[2]	WANG W D， ZHANG S J， HE R， et al. Theoretical analysis of Mode Ⅰ fracture of adhesively bonded bi-material DCB joints［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2024， 309： 110414.
[3]	PICHLER N， WANG W D， MOTAVALLI M， et al. Mode Ⅰ fracture analysis of Fe-SMA bonded double cantilever beam considering nonlinear behavior of the adherends［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2024， 295： 109789.
[4]	LI L Z， WANG W D， CHATZI E， et al. Experimental investigation on debonding behavior of Fe-SMA-to-steel joints［J］. Construction and Building Materials， 2023， 364： 129857.
[5]	WANG W D， ZHOU W， MA Y E， et al. Complete fatigue crack arrest in metallic structures using bonded prestressed iron-based shape memory alloy repairs［J］. International Journal of Fatigue， 2024， 180： 108104.
[6]	WANG Z， XIAN G J. Cohesive zone model prediction of debonding failure in CFRP-to-steel bonded interface with a ductile adhesive［J］. Composites Science and Technology， 2022， 230： 109315.
[7]	WANG W D， DE FREITAS S T， POULIS J A， et al. A review of experimental and theoretical fracture characterization of bi-material bonded joints［J］. Composites Part B： Engineering， 2021， 206： 108537.
[8]	WANG W D， LOPES FERNANDES R， TEIXEIRA DE FREITAS S， et al. How pure Mode Ⅰ can be obtained in bi-material bonded DCB joints： A longitudinal strain-based criterion［J］. Composites Part B： Engineering， 2018， 153： 137-148.
[9]	DUGDALE D S. Yielding of steel sheets containing slits［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 1960， 8（2）： 100-104.
[10]	BARENBLATT G I. The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture［M］∥ Advances in Applied Mechanics Volume 7. Amsterdam： Elsevier， 1962： 55-129.
[11]	LU L K， LIU Z L， ZHUANG Z. The physical meanings of two incremental-J-integral-based fracture criteria for crack growth in elastic-plastic materials［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2022， 259： 108106.
[12]	郭润杰，鲁龙坤，周子康，等. 内聚力模型在飞机金属薄壁结构断裂模拟中的应用进展［J］. 航空学报， 2025， 46（21）： 532330.
	GUO R J， LU L K， ZHOU Z K， et al. Progress in application of cohesive zone model in fracture simulation of aircraft metallic thin-walled structures［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（21）： 532330 （in Chinese）.
[13]	姚寅，黄再兴. 基于原子内聚力与表面能等效的内聚裂纹模型［J］. 航空学报， 2010， 31（9）： 1796-1801.
	YAO Y， HUANG Z X. A surface-energy equivalent cohesive crack model based on atomic cohesive force［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2010， 31（9）： 1796-1801 （in Chinese）.
[14]	TVERGAARD V， HUTCHINSON J W. The relation between crack growth resistance and fracture process parameters in elastic-plastic solids［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 1992， 40（6）： 1377-1397.
[15]	GORMAN J M， THOULESS M D. The use of digital-image correlation to investigate the cohesive zone in a double-cantilever beam， with comparisons to numerical and analytical models［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2019， 123： 315-331.
[16]	CUI H， KOUSSIOS S， LI Y L， et al. Constitutive law of adhesive layer measured with mixed mode bending test［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2014， 127： 235-251.
[17]	SUN F， BLACKMAN B R K. A DIC method to determine the Mode Ⅰ energy release rate G， the J-integral and the traction-separation law simultaneously for adhesive joints［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2020， 234： 107097.
[18]	KUMAR V， SINGH A， KUMAR GUPTA R. Assessing fracture behavior in composite-metal bonded joints under opening and sliding modes： Insights from experiments， CZM， and FEA［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2024， 134： 104713.
[19]	AKHAVAN-SAFAR A， MARQUES E A S， CARBAS R J C， et al. Cohesive zone modelling for fatigue life analysis of adhesive joints［M］. Cham： Springer International Publishing， 2022：19-40.
[20]	CABELLO M， ZURBITU J， RENART J， et al. A general analytical model based on elastic foundation beam theory for adhesively bonded DCB joints either with flexible or rigid adhesives［J］. International Journal of Solids and Structures， 2016， 94-95： 21-34.
[21]	TAUHEED M， DATLA N V. Mode Ⅰ fracture R-curve and cohesive law of CFRP composite adhesive joints［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives， 2022， 114： 103102.
[22]	DE MOURA M F S F， GONÇALVES J P M， MAGALHÃES A G. A straightforward method to obtain the cohesive laws of bonded joints under Mode Ⅰ loading［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives， 2012， 39： 54-59.
[23]	DIAS G F， DE MOURA M F S F， CHOUSAL J A G， et al. Cohesive laws of composite bonded joints under Mode Ⅰ loading［J］. Composite Structures， 2013， 106： 646-652.
[24]	LIU J C， ZHANG S J， YANG J， et al. Experimental determination of Mode- Ⅰ traction-separation relation for DCB adhesive joints： A back face strain derived method［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2025， 323： 111169.
[25]	ZHANG S J， LIU J C， YAO X D， et al. A novel experimental approach to determine Mode Ⅰ traction-separation relationship for bonded composites-to-metal DCB joints： A back face strain derived method［J］. Composites Part B： Engineering， 2025， 304： 112610.
[26]	ASTM. Standard test method for Mode Ⅰ interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber-reinforced polymer matrix composites：［S］. West Conshohocken： ASTM International， 2007.
[27]	FERNANDES T A B， CAMPILHO R D S G， BANEA M D， et al. Adhesive selection for single lap bonded joints： Experimentation and advanced techniques for strength prediction［J］. The Journal of Adhesion， 2015， 91（10-11）： 841-862.
[28]	PICHLER N， WANG W D， POULIS J A， et al. Surface preparations and durability of iron-based shape memory alloy adhesively-bonded joints［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives， 2023， 125： 103439.
[29]	HAMDI M， POULIS J A. Effect of UV/ozone treatment on the wettability and adhesion of polymeric systems［J］. The Journal of Adhesion， 2021， 97（7）： 651-671.
[30]	WANG W， POULIS J A， FREITAS S T D， et al. Surface pretreatments on CFRP and titanium for manufacturing adhesively bonded bi-material joints. ［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019， 102： 3021-3035.
[31]	韩啸，金勇，杨鹏，等. 胶层厚度对胶粘剂Ⅰ型断裂韧性影响试验和仿真研究［J］. 机械工程学报， 2018， 54（10）： 43-52.
	HAN X， JIN Y， YANG P， et al. Experimental and simulation study on the effect of adhesive thickness on Mode Ⅰ fracture toughness［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54（10）： 43-52 （in Chinese）.
[32]	LIMA R A A， PERRONE R， CARBONI M， et al. Experimental analysis of Mode Ⅰ crack propagation in adhesively bonded joints by optical backscatter reflectometry and comparison with digital image correlation［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2021， 116： 103117.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

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

材料	步骤1	步骤2	步骤3	步骤4
碳纤维增强复合材料	去除表面脱模布	丙酮擦拭	紫外线/臭氧处理15 min
钛合金	丙酮擦拭	喷砂处理	丙酮擦拭	紫外线/臭氧处理5 min

基于表面应变法的DCB胶接界面断裂行为

Fracture behavior of DCB bonded interface based on surface strain method

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 25

参考文献 32

相关文章 3

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	郭润杰, 鲁龙坤, 周子康, 王生楠. 内聚力模型在飞机金属薄壁结构断裂模拟中的应用进展[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532330-532330.
[2]	张龙, 王波, 矫桂琼, 黄涛. 纤维桥连对复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响[J]. 航空学报, 2013, 34(4): 817-825.
[3]	刘元镛;李玉龙. 在阶跃载荷作用下双悬臂梁模型动态特性的近似分析法[J]. 航空学报, 1990, 11(2): 87-92.