一种考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法

技术领域

本发明属于复合材料粘接结构力学性能预测技术领域，涉及一种考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法，尤其涉及一种针对粘接结构实际服役环境特点，同时考虑界面损伤与材料性能退化的复合材料粘接结构湿热老化后剩余强度预测方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比强度/比刚度高，耐冲击、耐腐蚀性好等优点，在汽车工业领域的应用日益广泛。相比于传统机械连接方式(螺接和铆接)，粘接能够在不破坏基材的情况下实现复杂结构、异种材料之间的连接，同时粘接结构具有承载面积大、应力分布均匀、疲劳性能优异等特点。在CFRP 连接中的应用日益广泛。在实际服役过程中，车辆粘接结构可能会受到温度、湿度等因素的影响。胶粘剂和复合材料树脂基体作为高分子化合物，在长期湿热环境影响下会出现性能下降，导致连接强度降低，从而影响整车结构安全。因此建立湿热环境作用下的CFRP粘接结构剩余强度预测方法，具有十分重要的意义。

目前粘接结构老化研究主要采用人工加速方法，定性分析各影响因素对接头性能的影响，尚不能满足工程实际中的粘接结构剩余强度及老化寿命预测需要。专利CN201910742094.2公开了一种基于胶粘剂化学特性的粘接接头老化性能预测方法，建立了胶粘剂化学特性与粘接接头力学性能之间的量化关系。该专利主要针对老化前后粘接结构发生内聚失效的特定情况，且没有考虑老化后复合材料性能下降对接头剩余强度的影响，一定程度上限制了其进一步应用。已有研究表明，在长期湿热环境作用下，除了胶粘剂和复合材料树脂本体会发生水解、增塑等老化现象外，由于材料粘附性下降、热应力、吸涨应力以及水分扩散等原因，可能也会造成纤维/树脂基体界面、胶粘剂/基材界面性能显著退化，从而诱发界面损伤，加剧粘接结构强度衰减。因此在粘接结构剩余强度预测中，除了胶粘剂老化外，有必要充分评估界面损伤、CFRP板材老化对结构性能的影响，建立面向工程实际的考虑界面失效影响的复合材料粘接结构剩余强度预测方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有采用人工加速方法，定性分析各影响因素对接头性能的影响，尚不能满足工程实际中的粘接结构剩余强度及老化寿命预测需要。

(2)现有粘接接头老化性能预测方法主要针对老化前后粘接结构发生内聚失效的特定情况，且没有考虑老化后复合材料性能下降对接头剩余强度的影响，一定程度上限制了其进一步应用。在实际服役过程中，特别是湿热环境下，界面失效往往可能是导致粘接结构发生最终破坏的主要原因，因此有必要充分考虑界面失效和复合材料性能退化对粘接结构性能的影响，提供有效地剩余强度预测方法。

解决以上问题及缺陷的难度为：长期湿热老化环境下，对纤维/树脂基体界面、胶粘剂/基材界面性能存在影响的因素众多，其失效机理十分复杂。关于如何定量地分析界面失效规律及其对粘接结构性能的影响，目前仍缺乏有效的技术手段。

解决以上问题及缺陷的意义为：通过本发明专利的实施，可以有效评估湿热老化条件下纤维增强复合材料中纤维/基体界面以及粘接结构中胶粘剂/基材界面性能的变化，并获得界面损伤变化规律，从而为定量研究湿热环境对界面性能的影响，以及在粘接结构剩余强度预测方法中考虑界面损伤奠定基础。能够有效地扩大了原有方法的适用范围，提升剩余强度预测结果的准确性，能够为复合材料粘接结构寿命安全设计提供参考与指导。

发明内容

针对长期服役环境下复合材料粘接结构剩余强度预测难题，本发明提供了一种考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法，尤其涉及一种考虑界面损伤的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法，为CFRP粘接结构在实际工程实际中的设计应用提供参考和指导。

本发明是这样实现的，一种考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法，所述考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法包括以下步骤：

步骤一，CFRP/铝合金粘接接头制作及老化试验；

步骤二，建立接头剩余强度变化规律曲线；

步骤三，建立官能团吸光度变化规律曲线；

步骤四，建立粘接接头及CFRP界面损伤变化规律曲线；

步骤五，数据归一化处理及特征官能团筛选；

步骤六，官能团吸光度、界面损伤曲线基本变换；

步骤七，建立接头剩余强度预测函数；

步骤八，定义拉伸、剪切退化因子，并修正内聚力参数；

步骤九，粘接结构剩余强度预测。

进一步，步骤一中，所述CFRP/铝合金粘接接头制作及老化试验，包括：

(1)制作CFRP/铝合金对接及剪切接头，分别代表单独正应力和单独剪应力工况；

(2)根据车辆实际服役环境，选取典型湿热老化工况，对接头进行人工加速湿热老化。

进一步，步骤二中，所述建立接头剩余强度变化规律曲线，包括：

(1)对老化后对接、剪切接头进行准静态拉伸测试，分别获得不同老化时间两种应力状态下粘接接头剩余强度；

(2)建立对接、剪切接头剩余强度随老化时间变化规律曲线；其中，所述对接、剪切接头剩余强度曲线分别为S

进一步，步骤三中，所述建立官能团吸光度变化规律曲线，包括：

(1)分别从老化不同时间的接头断面和CFRP板材提取胶粘剂样本、CFRP 样本，进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试；

(2)根据光谱图获得不同老化时间胶粘剂和CFRP树脂基体官能团吸光度；

(3)建立胶粘剂、CFRP基体官能团吸光度随老化时间变化规律曲线；其中，所述官能团吸光度曲线分别为A(t)、B(t)。

进一步，步骤四中，所述建立粘接接头及CFRP界面损伤变化规律曲线，包括：

(1)采用ImageJ软件对老化不同时间的对接、剪切接头断面图像进行分析，定量测量界面失效在整个断面中的占比；

(2)建立对接、剪切接头胶粘剂/基材界面损伤程度随老化时间变化规律曲线；其中，所述对接、剪切接头胶粘剂/基材界面损伤曲线分别为

(3)在不同老化周期的CFRP板材中面任意选取不重复的30个以上测点，利用扫描电子显微镜SEM进行微观观察，统计发生CFRP纤维/基体界面失效测点数占总测点数的比例；

(4)建立CFRP板材纤维/基体界面损伤程度随老化时间变化规律曲线；其中，所述纤维/基体界面损伤曲线为I

进一步，步骤五中，所述数据归一化处理及特征官能团筛选，包括：

(1)通过离差标准化，对接头剩余强度、胶粘剂/CFRP基体官能团吸光度、界面损伤数据进行归一化处理，消除量纲的影响；

(2)根据接头剩余强度和官能团吸光度相关性分析，分别筛选出与接头力学性能相关性最大的胶粘剂和CFRP基体特征官能团。

进一步，步骤六中，所述官能团吸光度、界面损伤曲线基本变换，包括：

(1)分别以对接和剪切接头剩余强度曲线为目标，对官能团吸光度曲线和胶粘剂/基材界面、纤维/基体界面损伤曲线进行缩放、旋转和平移变化，从而实现最佳重合；

(2)定义胶粘剂官能团吸光度曲线、CFRP基体官能团吸光度曲线、胶粘剂/基材界面损伤曲线和纤维/基体界面损伤曲线最佳重合状态曲线分别为：

I'

I'

其中，m是胶粘剂特征官能团个数；n是CFRP基体特征官能团个数；a、 b和c分别为缩放、旋转和平移基本变换因子；t为老化时间；A

(3)建立泛函，根据泛函极值条件，求解各曲线与接头剩余强度曲线处于最佳重合状态时所对应的缩放、旋转、平移因子，确定各特征官能团及两种界面损伤所对应的重合状态曲线，包括：

其中，S(t)为接头剩余强度曲线，分为对接和剪切两种。

进一步，步骤七中，所述建立接头剩余强度预测函数，包括：

(1)引入权重因子λ，对各特征官能团及界面损伤最佳重合状态曲线进行线性组合，定义接头剩余强度预测函数P(t)如下式所示：

为了求解权重因子值，定义如下泛函：

(2)将基本变换因子和权重因子的值代入公式，从而获得接头剩余强度预测函数，同样未区分对接、剪切情况。

进一步，步骤八中，所述定义拉伸、剪切退化因子，并修正内聚力参数，包括：

(1)根据对接、剪切接头剩余强度预测函数，定义拉伸、剪切退化因子：

其中，P

(2)建立基于内聚力单元的粘接结构有限元模型，并根据拉伸、剪切退化因子对各方向的初始刚度、临界牵引力和断裂能内聚力参数进行修正：

P′

其中，P

进一步，步骤九中，所述粘接结构剩余强度预测，包括：

(1)选取老化特定时间后的粘接结构，分别提取胶粘剂和CFRP测试样本，进行FTIR测试，获得胶粘剂特征官能团吸光度A和CFRP基体吸光度B；

(2)根据接头断面和CFRP样本确定胶粘剂/基材界面损伤程度I

(3)将修正后参数代入粘接结构有限元模型，计算接头剩余强度，从而实现老化后的粘接结构性能预测。

本发明的另一目的在于提供一种复合材料粘接结构力学性能预测终端，所述复合材料粘接结构力学性能预测终端意义实现所述的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法，在前期所建立的基于胶粘剂化学特性的老化后粘接接头力学性能预测方法的基础上，通过引入图像分析技术，对胶粘剂/基材界面损伤和纤维/基体界面损伤程度进行定量分析，获得老化过程中的界面损伤变化规律。建立了多个影响因素与接头剩余强度之间的量化关系，从而获得了包含界面损伤、CFRP树脂及胶粘剂老化的单应力状态下粘接结构剩余强度预测函数。进一步与有限元仿真相结合，建立复杂应力状态下粘接结构老化后剩余强度预测方法，为CFRP粘接结构在实际工程实际中的设计应用提供参考和指导。

本发明提出了一种具有创新性的界面损伤定量分析方法，可以有效评估湿热老化条件下纤维增强复合材料中纤维/基体界面以及粘接结构中胶粘剂/基材界面性能的变化，并获得界面损伤变化规律，从而为定量研究湿热环境对界面性能的影响，以及在粘接结构剩余强度预测方法中考虑界面损伤奠定基础。

本发明所提出的老化后剩余强度预测方法，通过建立胶粘剂、CFRP树脂基体以及界面损伤与接头剩余强度之间的定量关系，可以充分考虑老化过程中各种因素对粘接结构性能的影响，有效地扩大了原有方法的适用范围，提升剩余强度预测结果的准确性，能够为复合材料粘接结构寿命安全设计提供参考与指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的对接接头示意图。

图3是本发明实施例提供的剪切接头示意图。

图4是本发明实施例提供的粘接接头失效强度随老化时间变化规律示意图。

图5是本发明实施例提供的胶粘剂官能团吸光度随老化时间变化规律示意图。

图6是本发明实施例提供的CFRP官能团吸光度随老化时间变化规律示意图。

图7是本发明实施例提供的界面损伤随老化时间变化规律示意图。

图8是本发明实施例提供的粘接结构有限元仿真模型示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法包括以下步骤：

S101，CFRP/铝合金粘接接头制作及老化试验；

S102，建立接头剩余强度变化规律曲线；

S103，建立官能团吸光度变化规律曲线；

S104，建立粘接接头及CFRP界面损伤变化规律曲线；

S105，数据归一化处理及特征官能团筛选；

S106，官能团吸光度、界面损伤曲线基本变换；

S107，建立接头剩余强度预测函数；

S108，定义拉伸、剪切退化因子，并修正内聚力参数；

S109，粘接结构剩余强度预测。

本发明提供的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1

针对长期服役环境下复合材料粘接结构剩余强度预测难题，本发明涉及一种定量考虑界面损伤的老化后复合材料粘接结构力学性能预测方法，为CFRP 粘接结构在实际工程实际中的设计应用提供参考和指导。

本发明提供的考虑界面损伤的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法。主要包括以下步骤：

(1)CFRP/铝合金粘接接头制作及老化试验。制作CFRP/铝合金对接及剪切接头(分别代表单独正应力和单独剪应力工况)。根据车辆实际服役环境，选取典型湿热老化工况，对接头进行人工加速湿热老化。

(2)建立接头剩余强度变化规律曲线。对老化后对接、剪切接头进行准静态拉伸测试，分别获得不同老化时间两种应力状态下粘接接头剩余强度，建立对接、剪切接头剩余强度随老化时间变化规律曲线(对接、剪切接头剩余强度曲线S

(3)建立官能团吸光度变化规律曲线。分别从老化不同时间的接头断面和CFRP板材提取胶粘剂样本、CFRP样本，进行FTIR(傅里叶变换红外光谱)测试。根据光谱图获得不同老化时间胶粘剂和CFRP树脂基体官能团吸光度。建立胶粘剂、CFRP基体官能团吸光度随老化时间变化规律曲线(官能团吸光度曲线A(t)、B(t))。

(4)建立粘接接头及CFRP界面损伤变化规律曲线。采用Image J软件对老化不同时间的对接、剪切接头断面图像进行分析，定量测量界面失效在整个断面中的占比。建立对接、剪切接头胶粘剂/基材界面损伤程度随老化时间变化规律曲线(对接、剪切接头胶粘剂/基材界面损伤曲线

(5)数据归一化处理及特征官能团筛选。通过离差标准化，对接头剩余强度、胶粘剂/CFRP基体官能团吸光度、界面损伤数据进行归一化处理，消除量纲的影响。根据接头剩余强度和官能团吸光度相关性分析，分别筛选出与接头力学性能相关性最大的胶粘剂和CFRP基体特征官能团。

(6)官能团吸光度、界面损伤曲线基本变换。分别以对接和剪切接头剩余强度曲线为目标，对官能团吸光度曲线和胶粘剂/基材界面、纤维/基体界面损伤曲线进行缩放、旋转和平移变化，从而实现最佳重合。定义胶粘剂官能团吸光度曲线、CFRP基体官能团吸光度曲线、胶粘剂/基材界面损伤曲线和纤维/基体界面损伤曲线最佳重合状态曲线分别为：

I'

I'

公式中，m是胶粘剂特征官能团个数；n是CFRP基体特征官能团个数；a、 b和c分别为缩放、旋转和平移基本变换因子；t为老化时间；A

建立如(5-8)所示的泛函，根据泛函极值条件，求解各曲线与接头剩余强度曲线处于最佳重合状态时所对应的缩放、旋转、平移因子，从而确定各特征官能团及两种界面损伤所对应的重合状态曲线。

其中，S(t)为接头剩余强度曲线，分为对接和剪切两种。

(7)建立接头剩余强度预测函数。引入权重因子λ，对各特征官能团及界面损伤最佳重合状态曲线进行线性组合。定义接头剩余强度预测函数P(t)如式所示：

为了求解权重因子值，定义如下泛函：

将基本变换因子和权重因子的值代入公式，从而获得接头剩余强度预测函数(同样未区分对接、剪切情况)。

(8)定义拉伸、剪切退化因子。根据对接、剪切接头剩余强度预测函数，定义拉伸、剪切退化因子：

其中，P

(9)内聚力参数修正。建立基于内聚力单元的粘接结构有限元模型，并根据拉伸、剪切退化因子对各方向的初始刚度、临界牵引力和断裂能内聚力参数进行修正。如式所示：

P′

其中P

(10)粘接结构剩余强度预测。选取老化特定时间后的粘接结构，分别提取胶粘剂和CFRP测试样本，进行FTIR测试，获得胶粘剂特征官能团吸光度A 和CFRP基体吸光度B。根据接头断面和CFRP样本确定胶粘剂/基材界面损伤程度I

实施例2

结合附图，对本发明的考虑界面损伤的考虑界面损伤的复合材料粘接结构剩余强度预测方法作进一步详细说明：

(1)CFRP/铝合金粘接接头制作及老化试验。接头制作时选取材料为双组份环氧树脂胶粘剂

(2)建立接头剩余强度变化规律曲线。老化完成后，将接头在室温环境中放置24小时，然后利用电子万能试验机进行1mm/min的准静态拉伸试验，测试接头失效强度，每组重复试验五次。不同老化时间的对接、剪切接头剩余强度变化规律如图4所示。

(3)建立官能团吸光度变化规律曲线。分别从老化不同时间的接头断面和 CFRP板材提取胶粘剂样本、CFRP样本，进行FTIR测试，获得不同老化时间的光谱图，并从光谱图中提取胶粘剂和CFRP基体官能团吸光度。剂样本、CFRP 官能团吸光度随老化时间变化规律分别如图5、6所示。

(4)建立粘接接头及CFRP界面损伤变化规律曲线。通过定量测量与分析，所建立的对接及剪切接头胶粘剂/基材界面损伤曲线、纤维/基体界面损伤曲线如图7所示。

(5)数据归一化处理及特征官能团筛选。采用离差标准化方法，对接头剩余强度、官能团吸光度和界面损伤数据进行归一化处理，消除不同数据之前量纲的影响。计算各特征官能团吸光度数据与对接、剪切接头剩余强度之前的相关系数，并将其绝对值大于0.8时对应的官能团定义为特征官能团，即认为该官能团对接头强度存在显著影响。胶粘剂中与对接、剪切接头剩余强度之间存在高度相关性的特征官能团均为羟基、酯基、羰基和环氧(对应波数分别为 3325cm

(6)退化因子确定及粘接结构剩余强度预测。通过编写FROTRAN程序，求解各官能团吸光度及界面损伤曲线处于最佳重合状态时所对应的基本变化因子，以及线性组合权重因子，建立对接、剪切接头剩余强度预测函数。在此基础上，测量老化一段时间后(本实施例中选取老化时间为30天)粘接结构中胶粘剂及CFRP的特征官能团吸光度，并结合界面损伤程度，确定对接、剪切接头对应退化因子(对接、剪切退化因子分别为0.6701和0.6915)，并对内聚力参数进行修正。建立如图8所示的粘接结构有限元仿真模型，其中胶层采用COH3D8单元、CFRP采用SC8R单元、铝合金采用C3D8R单元。结构一端采用固定约束，限制所有平动及转动自由度，而另一端沿x方向施加平动位移，并限制其余方向自由度。代入修正后内聚力参数，进行失效模拟。由计算结果可知，老化30天后粘接结构剩余强度为11.13MPa，与试验结果误差为5.68％，说明本方向具有有效性，可以为工程实际中的粘接结构剩余强度预测和寿命安全设计提供参考。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。