静压卸载后夹层结构界面蠕变失效特性分析

【化学工程与材料科学】

静压卸载后夹层结构界面蠕变失效特性分析

李卓1，邱家波2

(1.海军91663部队，山东 青岛266000； 2.海军工程大学 舰船工程系， 武汉430033)

摘要：深水静压载荷作用下夹层复合材料结构上下表层弹性弯曲凹陷，其黏弹特性芯材将发生压缩形变，并随时间延长而产生蠕变形变，卸载后在表层弯曲刚度回复载荷作用下，表层与芯材界面将存在正应力σz。采用Maxwell模型建立芯层和界面层黏弹性材料本构模型，推导并得到了反映夹层结构界面层应变随时间变化规律的表达式；以最大正应变为界面层失效判据，综合分析了芯材与界面黏结材料的黏弹特征参数、表层弯曲刚度以及芯层厚度对界面层失效特性的影响规律。结果表明：芯层黏度系数ηc是影响模型蠕变的主要因素，表层弯曲刚度对模型蠕变的影响与达到最大正应变的时间有关，在材料选定后适当增加芯层厚度可减小界面层的应变。

关键词：复合材料力学；夹层结构；损伤失效；蠕变；界面特性

作者简介：李卓(1986—)，硕士，主要从事舰船复合材料结构应用工程研究;通讯作者：邱家波 (1987—)，博士研究生，主要从事舰船复合材料结构应用工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.030

中图分类号：TB332

文章编号：1006-0707(2015)06-0120-04

本文引用格式：李卓，邱家波.静压卸载后夹层结构界面蠕变失效特性分析[J].四川兵工学报，2015(6):120-123.

Citationformat:LIZhuo,QIUJia-bo.AnalysisofCreepInterfaceFailureMechanismofSandwichStructuralwithViscoelasticCoreAfterUnloading[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(6):120-123.

AnalysisofCreepInterfaceFailureMechanismofSandwich

StructuralwithViscoelasticCoreAfterUnloading

LIZhuo1, QIU Jia-bo2

(1.TheNO. 91663rdTroopofNavy,Qingdao266000,China;

2.ShipEngineeringDepartment,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

Abstract:Under deepwater static pressure, the surface of composite sandwich structure elastically bends to sink, and compression deformation of the viscoelastic core occurs to creep along the time. After unloading, under elastically restoring force of the surface bending rigidity, normal stress σz exists between the surface and core interface. By use of Maxwell model, the constitutive model of the core layer and interface layer with viscoelastic materials was established, the variable patterns expression by time of strain with interface layer was deduced to receive. Take the biggest normal strain as failure criterion of interface layer, influence regulation of the core thickness, the surface bending rigidity and viscoelastic parameters of the core and interface adhesion material on interface failure mechanism were synthetically analyzed. The results show that the core viscosity coefficient ηc is the main factors for the model creep and the influence of the surface bending rigidity for the model creep changes along the time reaching to the biggest normal strain, and increasing appropriately, the core thickness can decrease the interface strain after selecting the material.

Keywords:compositemechanics;sandwichstructure;creep;interfaceproperties

纤维增强复合材料由于具有质轻、无磁、耐腐蚀和易于复杂曲面成型等特点，目前已在水下结构物建造工程领域得到高度重视。而由表层和芯层复合而成的夹层复合材料结构，由于能大大提高大尺度层合板弯曲刚度，提高结构可设计性，同时通过芯材的改性(如：添加吸声或吸波填料)，极大程度地赋予了夹层结构的功能可设计性[1-3]，因此必将成潜艇等水下工程结构物功能型结构建造的重要发展基本结构形式。夹层结构的耐久性及损伤容限问题的研究是结构完整性的重要组成部分，分层 是夹层结构在工程应用中常见的损伤模式之一，分层损伤的机理目前研究较多的是冲击损伤和缺陷疲劳损伤[4-5]。然而，对于夹层结构界面应力蠕变损伤特性的研究工作目前尚未见报道。本研究采用Maxwell模型描述芯材和界面材料的本构模型，推导了界面层在夹层结构静压卸载后的拉伸蠕变形变表达形式，并针对芯材黏弹特征参数及表层弯曲刚度对界面分层特性的影响规律进行探讨。

1问题的提出和分析模型的建立

李华东[6]探讨了夹层复合材料板格在深水静压条件下表层和芯层应力的分布特征，认为在深水静压下板周边的应力分布较为复杂，但板中区域以正应力为主，均匀分布。因此，深水静压下夹层复合材料结构上下表层弹性弯曲，板中形成平底凹陷，如图1(左图)所示。

静压时夹层结构黏弹性芯材将发生压缩形变，随着载荷作用时间的延长，黏弹特性芯材将产生不可恢复的蠕变形变，卸载后在表层弯曲刚度回复载荷作用下，表层与芯材的界面层将存在正应力σz，正应力σz的作用将使界面层发生拉伸蠕变形变，如图1(右图)所示。当这类蠕变形变达到一定量值εi时，夹层结构将出现界面的脱层或分层。这种界面脱层或分层损伤是夹层结构在工程应用中存在的一种典型损伤失效模式，必须得到有效控制。

图1　表层弯曲卸载后内部受力示意图

建立卸载后回复阶段表层、界面层和芯层一维蠕变应力分析模型，如图2所示。

设表层弯曲刚度为D，芯材与界面层材料的黏弹特性采用Maxwell模型进行描述，则设芯层刚度系数为kc，黏度系数为ηc，界面层刚度系数为ki，黏度系数为ηi。设夹层结构在静水加载下的初始变形量为z0。则单位面元的正向应力为

(1)

式中：hcεc(t)和hiεi(t)分别为回复力作用下芯层和界面层的变形量。

图2　界面承载力学分析模型

2界面层正应变表达式的推导

由于hc>>hi，则(1)式中忽略界面层变形量引起的应力变化，可得

(2)

由Maxwell模型得到的芯层本构方程为

(3)

将式(2)代入式(3)：

(4)

(5)

式(4)、式(5)为常系数非线性一阶微分方程，求解后可得

(6)

由初始条件，t=0时，εc(t)=0，代入式中，可得

代入式(6)，得出

(7)

代入式(2)，得出

(8)

则

(9)

(10)

将A、B、C代入式(10)，化简可得

(11)

3材料特征参数、表层弯曲刚度及界面失效特性相互影响规律分析

从夹层结构界面层应变随时间变化规律的表达式(11)可以看出，影响界面层应变εi的材料参数共有5个：界面层黏度系数ηi，刚度系数为ki，芯层黏度系数ηc，刚度系数kc，表层弯曲刚度为D；从夹层结构工程应用角度分析，芯层厚度hc对界面层应变也会产生很大的影响。分别探讨以上6个参量变化对界面层蠕变形变特征的影响。利用Matlab编程，可以得到在不同的材料参数及芯层厚度下，界面层应变随时间的变化规律曲线如图3～8所示。

图3　η i对界面蠕变应变ε i影响规律曲线

图4　η c对界面蠕变应变ε i影响规律曲线

图5　k i对界面蠕变应变ε i影响规律曲线

图6　k c对界面蠕变应变ε i影响规律曲线

图7　D对界面蠕变应变ε i影响规律曲线

图8　h c对界面蠕变应变ε i影响规律曲线

综合分析图3～图8中应变εi的变化规律，可以发现随着时间增大到一定阶段，εi的值趋于常数，常数的大小与各种参数的取值有关，并可以得到以下结论：

1) 对比分析图3～7可知：由图3、5、6所分别代表的ηi、ki、kc对界面蠕变形变量的影响作用主要发生在1.0×105s(约27h)以内，此后界面层蠕变形变量基本趋于稳定。

2) 由图8可知芯层厚度hc对εi的影响则主要集中在0.5×105s(约14h)以内，由式(11)分析也可知，在固定初始变形量z0不变的情况下，芯层厚度越厚，相同时间内，εi的变化越小，这主要是因为随着芯层厚度的增加，芯层形变将主导表层面板的回复程度，界面层将得到有效保护。但是从另一方面考虑，固定初始变形量z0与芯层厚度hc和深水静压加载时间具有直接关系，在相同的静压加载条件下，随芯层厚度的增加，回复初始变形量z0将增加，由式(11)可知，这也会带来界面蠕变形变εi的线性增加。

3) 由图7可知，初始阶段随着表层弯曲刚度D的增大，εi速度增大。随着芯层和界面层形变增加，弯曲刚度一定时，回复力下降，εi增长趋缓，但作用时间远较其他影响参量更长。

4) 由图4可知，芯材的黏性系数ηc对界面层蠕变形变εi的影响较为明显，当黏性系数ηc的增加时，蠕变形变εi随时间快速增加，作用时间长。

5) 由图3、5、6和8可知，随着ηi、ki、kc和hc的增加，界面蠕变应变εi的变化梯度不断减小，这说明当上述4个参数增大的一定阶段时，对εi的影响基本可以忽略不计。

4结论

以上结果显示：芯材及界面材料黏弹特征参数对防止界面层失效有重要意义，所选芯材ηc、kc越小，相同工况下模型的蠕变越小；材料的参数决定了模型的最大正应变，相对来说选取材料时，应将芯层黏度系数ηc为主要参考；对于表层材料，当达到最大正应变的时间较短时，选择D较小的材料，反之，选择D较大的材料；在材料已经选定后，可以适当的增加芯层的厚度，以减小界面层的应变。

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(责任编辑蒲东)