基于ABAQUS的复合材料修补裂纹板的仿真分析

谢小洋

摘要：本研究对碳纤维增强复合材料(CFRP)修复含裂纹板的力学性能进行了仿真研究。复合材料修补含裂纹结构因其修复效果明显、可靠性强已被广泛应用，该修复技术可以降低裂纹处应力集中、增强裂纹结构承载能力、延长使用寿命。使用ABAQUS有限元软件进行建模，用CFRP补片对裂纹板进行双面修复，裂纹板所受的载荷通过胶层均匀传递给CFRP补片。结果表明，修补后裂纹板的极限强度和实验基本吻合，明显提高了裂纹钢板的力学性能。表明本文采用的有限元仿真方法能够准确的模拟CFRP修补裂纹板。

关键词：CFRP补片；裂纹板；极限强度；有限元仿真

0. 引言

目前，复合材料修补裂纹结构技术已经在全球范围采用。相比传统的机械紧固，复合材料补片具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等优点，并且粘贴复合材料补片可以明显缩短修补时间、降低成本、提高效率、避免产生新的应力集中。

杨孚标[1]进行了复合材料修复铝合金板的静态力学性能试验研究。经过双面胶接修复后，其破坏强度提高了很多。复合材料补片的胶接修复能有效恢复铝合金裂纹板的静态力学性能。Xi和Wang[2]研究复合材料加固开孔复合材料板的拉伸性能，建立了三维渐进损伤模型，修补后的结构强度随修补厚度的增加而增加。岳清瑞等[3]进行了CFRP加固修复含缺陷钢结构静力拉伸实验研究，粘贴碳纤维布加固后其屈服荷载均有不同程度的提高。

张彤彤[4]进行了CFRP加固含裂纹钢板静态拉伸试验分析，同时将有限元仿真和试验过程及结果进行对比，结果表明有限元方法可准确有效地模拟加固组试件CFRP剥离、钢板断裂的过程。施兴华等[5]用有限元软件ABAQUS对CFRP修复含裂纹加筋板结构的极限强度进行了研究，相比含裂纹加筋板，使用CFRP修复含裂纹加筋板的极限强度有明显提高。在CFRP修复含裂纹加筋板达到极限强度之前，胶粘界面未发生脱胶行为。

穆志韬等[6]进行了飞机金属结构复合材料修复研究，修复后裂纹板的极限承载能力大幅增加。 Shi等[7] 对CFRP修复的裂纹加筋板在轴向压缩下的极限强度进行了分析，数值模型通过CFRP修复裂纹板的试验进行了验证。碳纤维布修复可以将开裂结构的极限强度恢复到完好面板的极限强度。

张婧等[8]采用非线性有限元法研究碳纤维修复含裂纹加筋板的拉伸剩余极限强度。研究裂纹处网格大小对裂纹尖端应力强度因子的影响，判断其是否发生开裂，随着碳纤维层数的增加，加筋板拉伸极限强度趋于平稳。

本文将通过有限元仿真研究CFRP修复含裂纹钢板的极限承载能力已经分析胶层脱粘对结构失效破坏的影响。

1. 有限元仿真

用ABAQUS计算未修补裂纹钢板、修补裂纹钢板的极限载荷，采用文献[4]中的模型尺寸和材料属性，钢板长260mm、宽50mm、厚4.7mm,中心贯穿裂纹长15mm,CFRP板长70mm、宽50mm、1mm（5层，每层0.2mm），胶层厚度0.1mm。钢板、胶黏剂、CFRP的材料属性见表1。

表1 各材料属性参数

材料	拉伸模量 （Gpa）	剪切模量（Gpa）	泊松比	屈服强度 （Mpa）	抗拉强度 （Mpa）
塑性刚	200		0.274	295.4	436
环氧树脂胶黏剂	2.59	0.945	0.37		56.5
CFRP	=200 =0.274	=7.2 =3.96	=0.27

胶层采用粘聚力cohesive单元建模，裂纹板、胶黏剂、CFRP通过绑定约束tie绑定在一起，为了计算方便，建立1/2模型，裂纹半长7.5mm, 模型的宽度减半，长度不变。ABAQUS计算CFRP修补含裂纹板的极限载荷的三维模型如图3所示，CFRP修补含裂纹板的拉伸脱粘过程所图4和图5所示，ABAQUS计算的CFRP修补含裂纹板的载荷位移-曲线如图6所示，文献[4]中CFRP修补含裂纹板的载荷位移-曲线如图7所示。

图3 CFRP修补含裂纹板的有限元模型

图4 CFRP端部最先开始脱粘

图5 完全脱粘后裂纹板断裂

图6  CFRP修补含裂纹钢板的载荷-位移曲线

图7 文献[4] 中CFRP修补含裂纹钢板的载荷-位移曲线

CFRP修补含裂纹钢板的极限载荷为75.2KN，未修补裂纹钢板的极限载荷为70.8KN，修补过后极限载荷增大，表明复合材料修补含裂纹结构可以提高裂纹结构极限承载能力。从仿真结果中可以看出脱粘最先发生在CFRP端部，此处的CFRP和钢板发生剥离，承载能力消失。此后随着荷载增大，胶层脱粘面积增大并不断向裂纹处扩展，直到胶层完全脱粘，CFRP完全剥离，此时载荷达到最大值（极限承载能力），CFRP失去承载能力，裂纹钢板独自承载施加的位移荷载，载荷迅速下降到某一值，该值就是此时裂纹钢板承受的载荷，随后钢板裂纹处塑性变形，和没有修补的裂纹钢板变形一致，达到钢板的极限强度时被拉断。

从胶层开始脱粘到完全脱粘的这段过程中，钢板载荷有一段略微上升，和文献[4]中所得出的持平结论略有不同，但从图形整体来看，可以认为是持平阶段。

2结论

本文采用ABAQUS有限元软件仿真计算了裂纹板修复前后的极限载荷，通过文献[4]的实验结果验证本文所用的有限元方法计算结果是可靠的，结果表明，修补后极限载荷增大，由于胶层先脱粘失效之后，裂纹板才发生失效断裂，所以修复后裂纹板失效的位移明显增大，CFRP修补后裂纹板的力学性能变好。

[1] 杨孚标. 复合材料修复含中心裂纹铝合金板的静态与疲劳特性研究[D]. 湖南长沙:国防科学技术大学博士论文, 2006.

[2] Xi L, Wang G. Progressive failure analysis of bonded composite repairs[J]. Composite Structures, 2007, 81(3):331-340.

[3]岳清瑞. 碳纤维增强复合材料(CFRP)加固修复钢结构性能研究与工程应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[4]张彤彤. 复合材料在海洋钢结构加固修复中的应用研究[D]. 北京:中国舰船研究院硕士论文, 2015.

[5]施兴华, 任恒嘉, 许文强, 张婧, 吴海建. CFRP修复含裂纹加筋板极限强度仿真研究[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(04):47-54.

[6]穆志韬, 李旭东, 王浩伟. 飞机金属损伤结构复合材料修复分析[M]. 北京:国防工业出版社, 2017.

[7]Shi X H, Hu Z, Zhang J, et al. Ultimate strength of a cracked stiffened panel repaired by CFRP and stop holes[J]. Ocean Engineering, 2021, 226(8):108850.

[8]张婧, 王锐, 徐烁硕, 施兴华. 碳纤维复合材料加固损伤加筋板拉伸极限强度研究[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2021, 35(05):8-14.