I、II型加載下複合粘接結構的界面疲勞失效研究

2021-02-20 高分子材料力學性能

       複合材料粘接結構由於具有輕量化、無應力集中和低成本等優點，近年來在各行各業已經得到廣泛應用。為提高層合粘接結構的整體強度，常常選用金屬和複合材料作為承載背板，不同背板材料的粘接結構粘接界面疲勞性能成為廣泛關注的話題之一。

       希臘Patras大學的Lucas Adamos等將鈦板與碳纖維複合板進行層合粘接處理，得到了高強度的複合粘接結構，並研究了該結構在I、II型加載下粘接界面處的疲勞性能與殘餘熱應力之間的關係。該研究通過如圖1所示雙懸臂梁與端部缺口彎曲梁結構分別測試了粘接界面在I型以及II型加載下的疲勞裂紋擴展閾值與擴展速率。實驗測試得到了該層合粘接結構界面疲勞裂紋擴展速率與加載能量釋放率之間的關係，且利用Paris公式進行初步擬合，得到了I型加載與II型加載下的疲勞閾值，如圖2所示。此外，對比分析了峰值能量釋放率、峰谷差值能量釋放率和平方差值能量釋放率與裂紋擴展速率之間的關係，由於所選擇應力比太小而得到了相近的實驗結果。預加熱殘餘應力後，界面處的I型疲勞裂紋擴展閾值顯著降低而II型加載的擴展閾值幾乎不變，表明熱殘餘應力主要影響I型加載方向。

       該研究利用外部循環做功計算得到了名義的疲勞裂紋擴展能量釋放率且與理論計算方法所得結果進行對比，發現在I型加載下的擴展閾值基本一致，但II型加載下相差甚遠。由於II型加載下界面處的失效機理有待進一步研究，因此這種差異性目前還無法得到準確解釋。基於上述研究思路，針對粘彈性粘接界面，討論外部循環做功的名義能量釋放率與基於線彈性斷裂理論計算的能量釋放率之間的聯繫與差異性有助於研究其疲勞擴展行為。

  

圖1 雙懸臂梁粘接結構和端部缺口彎曲梁粘接結構

 

圖2 三種不同能量釋放率與疲勞裂紋擴展速率間的對比

該研究以「An experimental study of the interfacial fracture behavior of Titanium/CFRP adhesive joints under mode I and mode II fatigue」為題已發表在《International Journal of Fatigue》。

全文連結: 

https://sci-hub.se/10.1016/j.ijfatigue.2020.105586

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