極限溫度下的CFRP-鋁合金粘接接頭耐久性研究*

慕文龍，那景新，秦國(guó)鋒，譚 偉，高 原，申 浩

（1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022； 2.吉林大學(xué)電子顯微鏡中心，長(zhǎng)春 130012；3.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，桂林 541004）

前言

輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的有效措施之一。汽車(chē)輕量化途徑主要包括新材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新工藝，其中又以新材料應(yīng)用最為有效［1］。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕和抗疲勞性能良好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在保證整車(chē)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化，在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛［2］。傳統(tǒng)的連接技術(shù)如鉚接、焊接等往往存在應(yīng)力集中和材料損傷等問(wèn)題，不能完全滿足CFRP連接的需要，這嚴(yán)重制約了CFRP的進(jìn)一步應(yīng)用。粘接作為一種新型的結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，具有密封性好、應(yīng)力分布均勻、抗疲勞和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠在不破壞零件結(jié)構(gòu)的同時(shí)保證一定粘接強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)異種材料連接，在CFRP連接中起到越來(lái)越重要的作用［3］。

汽車(chē)在實(shí)際服役過(guò)程中，往往須經(jīng)受?chē)?yán)寒和暴曬等惡劣條件，環(huán)境溫度范圍一般為－40～80℃。在持續(xù)極限溫度作用下，膠粘劑屬性會(huì)發(fā)生改變，從而影響粘接結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)由于膠粘劑和基材熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷［4］。對(duì)于CFRP，碳纖維和樹(shù)脂基底同樣存在較大的熱膨脹系數(shù)差異，且樹(shù)脂基底在溫度載荷下也會(huì)發(fā)生老化，造成粘接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降［5－6］。因此針對(duì)極限溫度下的粘接接頭耐久性進(jìn)行研究，獲得性能變化規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出有效的失效預(yù)測(cè)方法具有十分重要的意義。

針對(duì)環(huán)境溫度作用下的粘接接頭耐久性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)研究。韓嘯等［7］基于響應(yīng)面法研究了經(jīng)歷不同極限溫度環(huán)境后，采用不同屬性膠粘劑制作的鋼-鋁單搭接膠接接頭的強(qiáng)度退化現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)循環(huán)溫度場(chǎng)作用下的接頭剩余強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和仿真預(yù)測(cè)［8］。Zhang等［9］選用電鍍鋼、鋁合金為粘接基材，研究了同種、異種材料單搭接接頭在80℃持續(xù)作用下的耐久性能，發(fā)現(xiàn)在高溫老化作用下接頭強(qiáng)度均出現(xiàn)下降，且異種材料粘接接頭耐久性由相對(duì)較弱的膠粘劑-基材界面所決定。Wu等［10］對(duì)80℃環(huán)境下作用14天后的鋁合金單搭接接頭靜態(tài)、疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，高溫老化后接頭準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度和低周疲勞強(qiáng)度明顯下降而高周疲勞強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化。Akderya等［11］采用環(huán)氧樹(shù)脂基底復(fù)合材料制作單搭接接頭，并在－18和70℃環(huán)境下暴露一周進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高低溫持續(xù)作用均造成接頭失效載荷的下降。

現(xiàn)有的粘接接頭高低溫耐久性研究通常針對(duì)傳統(tǒng)金屬材料粘接基材，而CFRP與金屬材料之間存在明顯的差異，而且CFRP自身的老化也會(huì)對(duì)接頭性能產(chǎn)生影響。本文中研究CFRP表面粗糙度對(duì)接頭失效載荷的影響，并確定了最佳粘接方案。在此基礎(chǔ)上，對(duì)鋁合金-鋁合金／CFRP-鋁合金（AL-AL／CFRP-AL）單搭接接頭進(jìn)行－40和80℃環(huán)境下0（未老化）、5、10、15、20和 25天的老化試驗(yàn)，研究失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律，并通過(guò)宏觀觀察與掃描電子顯微鏡（SEM）微觀觀察分析接頭失效形式。基于雙線性內(nèi)聚力單元建立接頭仿真模型，并引入溫度退化因子，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試獲得初始失效準(zhǔn)則，對(duì)持續(xù)極限溫度作用下的接頭失效載荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料選擇

粘接基材為車(chē)體結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的6061鋁合金和CFRP板材。CFRP板材由斜紋、單向預(yù)浸料加工而成，其整體厚度為2 mm，鋪層順序?yàn)椋郏?／90）／0／90／0／90／0／90／（0／90）］；選用雙組份環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑Araldite?2015（亨斯邁先進(jìn)材料有限公司），它具有較高的粘接強(qiáng)度并適用于復(fù)合材料粘接，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)。膠粘劑和CFRP主要材料參數(shù)如表1和表2所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》制作鋁合金拉伸試樣，并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，獲得鋁合金真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，鋁合金材料參數(shù)如表3所示。

表1 Araldite?2015材料參數(shù)

表2 CFRP材料參數(shù)

表3 鋁合金材料參數(shù)

圖1鋁合金應(yīng)力 應(yīng)變曲線

1.2 接頭制作

參考標(biāo)準(zhǔn)ISO4587—2003設(shè)計(jì)制作了AL-AL和CFRP-AL單搭接接頭，接頭尺寸示意圖如圖2所示。其中搭接長(zhǎng)度和寬度均為25 mm，膠層厚度為0.2 mm。

圖2 單搭接粘接接頭尺寸示意圖（mm）

在試驗(yàn)環(huán)境（溫度保持在25±3℃，相對(duì)濕度保持在50±5%）條件下，完成所有試件的粘接。參考標(biāo)準(zhǔn)GB／T 7124—2008對(duì)粘接基材進(jìn)行表面預(yù)處理，其中鋁合金表面采用＃80氧化鋁噴砂處理（空氣壓力0.5 MPa，噴砂時(shí)間10 s）。考慮到噴砂容易造成CFRP損傷，因此使用砂紙對(duì)其進(jìn)行輕微打磨。采用丙酮對(duì)噴砂后鋁合金和打磨后CFRP板進(jìn)行去脂和清潔。待試件干燥后進(jìn)行施膠，并利用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用夾具完成粘接。粘接夾具如圖3所示，夾具表面粘貼特氟龍膠帶以防止殘留膠粘劑固化后難以清理。膠層厚度由墊片進(jìn)行控制。粘接完成后接頭在常溫下放置24 h，然后進(jìn)行2 h的80℃高溫固化，并在試驗(yàn)環(huán)境中保持24 h。為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性，在完全固化之前切除粘接區(qū)域附近余膠。

圖3 粘接夾具

1.3 試驗(yàn)方案

為研究CFRP表面粗糙度對(duì)粘接性能的影響，獲得較好的 CFRP-AL粘接效果，分別采用＃80、＃240、＃360、＃600和＃800砂紙對(duì) CFRP表面進(jìn)行打磨，然后采用OLS3000型激光共聚焦顯微鏡測(cè)試表面粗糙度。針對(duì)每個(gè)測(cè)試表面，選取5個(gè)位置進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，獲得平均表面粗糙度Ra。按照接頭制作流程完成試件粘接和固化，通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)測(cè)試失效載荷，每種粗糙度測(cè)試5個(gè)試件。

根據(jù)粗糙度測(cè)試結(jié)果，選取失效載荷最大的前處理方案制作粘接接頭。將固化好的粘接接頭均勻放置于高低溫濕熱環(huán)境箱（WEISS實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）中，分別設(shè)置環(huán)境溫度為80和－40℃，進(jìn)行0、5、10、15、20和25天的老化試驗(yàn)。老化試驗(yàn)結(jié)束后將試件再置于試驗(yàn)環(huán)境中，直到恢復(fù)常溫，然后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次。

使用WDW3100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司）對(duì)AL-AL和CFRP-AL單搭接粘接接頭進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，試驗(yàn)機(jī)拉伸速度為1 mm／min。試件夾持端放置2 mm厚的墊片，以消除拉伸試驗(yàn)過(guò)程中彎曲應(yīng)力的影響。拉伸過(guò)程試驗(yàn)載荷由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)記錄?？紤]到試驗(yàn)過(guò)程中拉伸機(jī)夾持機(jī)構(gòu)的變形對(duì)試件位移采集存在一定影響，采用基于三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)取接頭粘接區(qū)域真實(shí)變形。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CFRP表面粗糙度對(duì)失效載荷的影響

CFRP板材表面光滑且有可能附著脫模劑，因此采用砂紙對(duì)其表面進(jìn)行打磨處理，然后再粘接。未經(jīng)表面處理和采用不同目數(shù)砂紙打磨后的CFRP-AL粘接接頭表面粗糙度Ra如表4所示。

表4 CFRP表面粗糙度

由表4可知，未打磨的CFRP表面粗糙度最小，打磨后隨著砂紙目數(shù)的減少，CFRP表面粗糙度逐漸增加。采用不同粗糙度CFRP制作的粘接接頭的失效載荷如圖5所示。由圖可知，未打磨的CFRP，表面十分光滑，不利于膠粘劑粘附，因而粘接失效載荷相對(duì)較低（3 597 N），且其破壞斷面呈現(xiàn)明顯的界面失效，如圖6（a）所示，未能實(shí)現(xiàn)有效粘接；而打磨后的接頭，即使用＃800砂紙打磨，其表面粗糙度也驟然得到顯著提升而得以和膠粘劑有效粘附，不再產(chǎn)生界面失效，而斷面的失效則呈現(xiàn)為膠粘劑內(nèi)聚破壞，打磨后失效斷面如圖6（b）所示。

圖5 不同粗糙度CFRP-AL接頭失效載荷

圖6 未打磨和＃80砂紙打磨接頭失效斷面

對(duì)于CFRP打磨后的粘接接頭，隨著表面粗糙度的增加，其失效載荷逐漸下降，即在測(cè)試范圍內(nèi)（0.79－1.38μm），CFRP表面越粗糙，接頭承載能力越低。當(dāng)采用＃800砂紙打磨時(shí)，獲得最大失效載荷，為9 198.5 N。采用＃600砂紙時(shí)，失效載荷相比最大值減少了2.71%，下降幅度相對(duì)較小。而采用＃360砂紙時(shí)接頭失效載荷出現(xiàn)明顯下降，為7.83%，采用＃240和＃80砂紙打磨時(shí)接頭失效載荷分別下降了10.62%和12.16%，下降速度有所減緩。隨著粗糙度的增加，膠粘劑不能有效地浸潤(rùn)粘接表面，容易造成粘接膠層不連續(xù)，從而降低接頭承載能力［12］。

基于SEM對(duì)打磨后CFRP表面進(jìn)行微觀觀察，如圖7所示。＃80砂紙打磨后CFRP表面存在明顯的劃痕，造成較為嚴(yán)重的局部纖維斷裂，如圖7（a）中矩形虛線框所示，＃240和＃360砂紙打磨后也出現(xiàn)了一定程度的纖維損傷，而使用＃600和＃800砂紙打磨后CFRP表面相對(duì)平整，沒(méi)有較大的劃痕，其中＃600砂紙打磨后觀察到輕微纖維損傷，而＃800砂紙打磨表面基本上沒(méi)有纖維受損。對(duì)采用＃80砂紙打磨后的CFRP-AL接頭失效斷面宏觀觀察可以發(fā)現(xiàn)，雖然失效形式為內(nèi)聚破壞，但斷面上存在局部纖維撕裂，如圖6（b）中矩形虛線框所示，即采用粗糙砂紙打磨容易損傷纖維，破壞CFRP表面完整性，導(dǎo)致接頭失效載荷下降［13］。由于以上原因，本文中高低溫耐久性試驗(yàn)CFRP均采用＃800砂紙打磨。

圖7 打磨后CFRP表面典型SEM形貌

2.2 持續(xù)高溫下接頭耐久性分析

對(duì)高溫老化后接頭失效載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得接頭耐久性規(guī)律，如圖8所示。在80℃環(huán)境持續(xù)作用下，CFRP-AL和AL-AL粘接接頭平均失效載荷發(fā)生了較為明顯的改變。隨著老化周期的增加，CFRP-AL接頭失效載荷總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，相比于初始失效載荷，5、10、15和20天高溫老化后CFRPAL接頭失效載荷分別上升了6.11%、10.61%、14.24%和15.62%，上升速度逐漸變慢，而在25天時(shí)出現(xiàn)了輕微下降（相比20天下降0.98%）。在高溫老化環(huán)境下，AL-AL粘接接頭失效載荷持續(xù)上升，相比初始載荷，5、10、15、20和25天后上升幅度分別為4.64%、7.69%、10.31%、12.73%和13.74%，初始老化5天時(shí)上升速度最快，之后逐漸減慢。

為進(jìn)一步揭示接頭失效機(jī)理，對(duì)高溫老化前后AL-AL／CFRP-AL接頭失效斷面進(jìn)行分析。老化前后AL-AL粘接接頭斷面沒(méi)有發(fā)生明顯變化，均表現(xiàn)為內(nèi)聚失效?？紤]到本文中選取的膠粘劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg為67℃［14］，在80℃條件下處于高彈態(tài)，緩解了由于膠粘劑和基材熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的熱應(yīng)力作用，因此老化后AL-AL接頭性能變化由膠粘劑性質(zhì)決定。在持續(xù)高溫條件下，膠粘劑發(fā)生后固化，使粘接接頭承載能力提升，而隨著老化周期的增加，膠粘劑逐漸接近完全固化，反應(yīng)速度降低，接頭失效載荷增加速度相應(yīng)減緩［15］。

圖8 高溫下粘接接頭失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律

圖9 高溫老化CFRP-AL接頭失效表面典型宏觀形貌

對(duì)于CFRP-AL接頭，其典型失效斷面如圖9所示。未老化和老化5天后CFRP-AL接頭發(fā)生內(nèi)聚失效，而10天后出現(xiàn)CFRP局部纖維撕裂（如圖9中矩形框所示），且隨著老化時(shí)間的增加，撕裂面積有所增大。對(duì)圖6中A區(qū)域和圖9中B區(qū)域進(jìn)行SEM微觀觀察，結(jié)果如圖10所示。由圖可見(jiàn)，在高溫環(huán)境下，由于纖維與樹(shù)脂基體熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致的熱應(yīng)力會(huì)引起CFRP老化。與未老化CFRP相比，高溫老化25天后碳纖維更加光滑，附著的樹(shù)脂基體明顯減少，纖維 基體界面出現(xiàn)損傷［16］。因此，CFRP-AL粘接接頭高溫耐久性受到膠粘劑后固化與CFRP老化的共同影響。

圖10 高溫老化CFRP-AL接頭失效表面典型SEM形貌

根據(jù)接頭失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律，分別選取二次多項(xiàng)式和指數(shù)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并選取擬合優(yōu)度R2相對(duì)較高的作為理想函數(shù)。擬合曲線和擬合優(yōu)度R2如圖8所示。

2.3 持續(xù)低溫下接頭耐久性分析

在低溫環(huán)境下，CFRP-AL和AL-AL粘接接頭耐久性呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，如圖11所示。由圖可見(jiàn)，低溫老化對(duì)AL-AL接頭影響不明顯，接頭失效載荷幾乎沒(méi)有發(fā)生改變（變化幅度不超過(guò)4%）。而CFRP-AL粘接接頭失效載荷則隨老化周期的延長(zhǎng)而持續(xù)降低，相比于未老化接頭失效載荷，5、10、15、20和25天后分別下降5.47%、6.30%、8.26%、8.87%和9.57%，但下降幅度逐漸減小。

分別采用指數(shù)函數(shù)和二次多項(xiàng)式對(duì)失效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并對(duì)比擬合精度。AL-AL接頭更符合二次多項(xiàng)式而CFRP-AL接頭更符合指數(shù)函數(shù)，擬合曲線和擬合優(yōu)度R2如圖11所示。

圖11 低溫下粘接接頭失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律

與高溫老化類(lèi)似，低溫老化后AL-AL接頭失效形式未發(fā)生改變，仍表現(xiàn)為內(nèi)聚破壞。在低溫環(huán)境下，膠粘劑后固化反應(yīng)不明顯。同時(shí)對(duì)于同種材料粘接，由于膠粘劑和粘接基材熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的熱應(yīng)力對(duì)接頭性能影響有限［17］，因此AL-AL接頭失效載荷也未發(fā)生明顯改變，相比于初始載荷，25天后下降3.58%。

CFRP-AL接頭在低溫老化后失效形式?jīng)]有發(fā)生改變，仍為內(nèi)聚失效，而接頭承載能力持續(xù)下降。在長(zhǎng)期低溫作用下CFRP也會(huì)發(fā)生老化，但考慮到并未發(fā)生纖維撕裂，失效形式主要為內(nèi)聚破壞，說(shuō)明由基體、膠粘劑熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成的粘接劑性能下降影響更加顯著。因此低溫環(huán)境下CFRP-AL接頭性能退化主要由粘接接頭熱應(yīng)力引起的粘接膠層退化導(dǎo)致。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法

為模擬粘接接頭在極限溫度環(huán)境下發(fā)生老化后的失效過(guò)程，實(shí)現(xiàn)接頭失效載荷預(yù)測(cè)，采用ABAQUS?軟件建立CFRP-AL粘接接頭三維有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

所建立的接頭模型如圖12所示，其中膠層采用內(nèi)聚單元（COH3D8），CFRP采用連續(xù)殼單元（SC8R），鋁合金采用3D應(yīng)力單元（C3D8R）。各部分建模所采用的單元均為六面體網(wǎng)格。對(duì)粘接區(qū)域局部網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，如圖12中放大圖所示。在分析過(guò)程中考慮了幾何非線性，接頭的左側(cè)截面采用固定約束，右側(cè)截面施加水平位移，并約束其他方向的自由度。

圖12 CFRP-AL單搭接接頭有限元模型

本文中膠層內(nèi)聚力模型基于雙線性牽引力 位移法則，包含的關(guān)鍵參數(shù)有初始剛度、臨界牽引力和斷裂能［18］。在進(jìn)行有限元仿真時(shí)，須提供合適的初始失效準(zhǔn)則。選取初始失效準(zhǔn)則為二次應(yīng)力準(zhǔn)則，其廣泛應(yīng)用于粘接結(jié)構(gòu)的失效預(yù)測(cè)［19］，即

式中：tn、ts、tt分別為材料法向和兩個(gè)切向應(yīng)力分別代表法向和切向臨界牽引力。

為獲得更加準(zhǔn)確的臨界牽引力參數(shù)值，采用文獻(xiàn)［20］中的方法測(cè)試CFRP-AL粘接接頭拉伸和剪切失效強(qiáng)度（對(duì)應(yīng)法向、剪切臨界牽引力），結(jié)果如表5所示。

表5 膠層內(nèi)聚力模型參數(shù)

破壞擴(kuò)展階段采用能量法則控制，即

式中：Gn、Gs、Gt分別表示由法向和兩個(gè)切向牽引力做功所釋放的能量；表示對(duì)應(yīng)方向的斷裂能。

為預(yù)測(cè)極限溫度老化后CFRP-AL單搭接接頭失效行為，分別定義高溫、低溫退化因子D80和D－40，其計(jì)算公式為

式中：SD為不同老化周期后的接頭平均失效載荷；SF為未老化接頭平均失效載荷。

將圖8和圖11中接頭失效載荷擬合公式代入式（3），獲得任意周期后的高、低溫退化因子函數(shù)為

假設(shè)持續(xù)極限溫度作用后膠粘劑內(nèi)聚力模型各參數(shù)隨退化因子等幅度變化［8，18］。通過(guò)將原始參數(shù)與退化因子相乘，獲得退化后參數(shù)，并重新進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)極限溫度老化后的接頭失效預(yù)測(cè)。

3.2 仿真結(jié)果分析

未老化CFRP-AL單搭接接頭失效過(guò)程如圖13所示，圖中采用ABAQUS軟件中所提供的內(nèi)聚力單元?jiǎng)偠韧嘶瘶?biāo)量（scalar stiffness degradation variable，SDEG）來(lái)表示材料的失效程度。SDEG為0時(shí)表示膠層沒(méi)有失效，發(fā)生初始失效后SDEG逐漸增大，等于1時(shí)膠層完全失效。由圖可知，膠層首先在鋁合金端部發(fā)生失效，然后由兩端向膠層內(nèi)部擴(kuò)展，直至完全斷裂。

圖13 CFRP-AL單搭接接頭失效過(guò)程仿真結(jié)果

膠層完全失效后，提取仿真失效載荷和粘接區(qū)域鋁合金端部X和Z向變形，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表6所示。試驗(yàn)與仿真X向位移誤差相對(duì)較大，但模型具有一定有效性。

表6 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

高低溫環(huán)境下不同老化時(shí)間后的試驗(yàn)和仿真失效載荷如圖14所示。仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比最大誤差為6.9%，這表明本文中采用的數(shù)值預(yù)測(cè)模型具有一定精度，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)極限溫度作用下的接頭失效預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

（1）采用砂紙打磨CFRP粘接表面能夠有效提高CFRP-AL單搭接接頭失效載荷。針對(duì)所試驗(yàn)砂紙型號(hào)，隨著砂紙目數(shù)的增加，CFRP表面粗糙度減小，纖維損傷減少，粘接失效載荷逐漸增大。

圖14 CFRP-AL接頭試驗(yàn)與仿真失效載荷對(duì)比

（2）在持續(xù)高溫環(huán)境下，隨著老化時(shí)間的增加，接頭失效載荷基本上呈上升趨勢(shì)，其中AL-AL接頭性能變化由膠粘劑后固化導(dǎo)致，而CFRP-AL接頭高溫耐久性能受到膠粘劑后固化和CFRP老化的共同影響。老化前后AL-AL接頭均為內(nèi)聚失效，未老化和老化5天后CFRP-AL接頭表現(xiàn)為內(nèi)聚失效，老化10天后出現(xiàn)局部纖維撕裂，且隨著老化時(shí)間的增加，撕裂面積有所增大。兩種接頭失效載荷變化規(guī)律分別符合指數(shù)函數(shù)和二次多項(xiàng)式函數(shù)。

（3）在低溫環(huán)境下，AL-AL接頭失效載荷與失效形式均未發(fā)生變化。而在熱應(yīng)力作用下，膠層性能退化，CFRP-AL接頭失效載荷隨著老化周期的增加逐漸下降，不同老化周期后均為內(nèi)聚失效。ALAL／CFRP-AL接頭失效載荷變化規(guī)律分別符合二次多項(xiàng)式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)。

（4）基于內(nèi)聚力模型建立CFRP-AL單搭接接頭有限元仿真模型，并通過(guò)拉伸、剪切試驗(yàn)測(cè)取初始失效準(zhǔn)則參數(shù)。引入環(huán)境退化因子，對(duì)持續(xù)極限溫度作用下的接頭失效行為進(jìn)行模擬。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明數(shù)值模型能夠有效預(yù)測(cè)高低溫老化后的CFRP-AL單搭接接頭失效載荷。