物理约束串联神经网络驱动的CFRP胶接单搭接接头（SLJ）湿热老化强度退化与失效模式演化预测

《Aerospace》：Iterative LMI-Based Plant–Controller Co-Design Using Explicit Model Following Control: A VTOL Application

　　

胶接碳纤维增强聚合物（CFRP）接头在航空航天结构中具备高效载荷传递和减重潜力。单搭接接头（SLJ）的简单几何使其可用于考察粘接耐久性，但湿热老化对其性能的影响尚未得到充分研究。该研究系统整合吸湿实验、力学测试、有限元建模（FEM）与深度神经网络（DNN）建模，对胶层内吸湿行为、强度退化及失效模式演化进行了综合分析。首先，对三种胶粘剂在不同湿热老化条件下进行老化，以研究其吸湿行为和老化后力学性能。胶粘剂的拉伸强度和模量随吸湿量增加呈线性下降。此外，对SLJ进行了湿热老化试验。结果表明，老化过程中接头剪切强度显著降低，并伴随失效模式由内聚失效向界面失效转变。随后，利用实验数据建立了湿热耦合有限元模型，并结合内聚区模型（CZM）模拟接头强度演化。该有限元模型计算误差在5%以内。为解决SLJ结构湿热老化有限元分析的高计算成本问题并增强数据驱动模型的物理可解释性，研究人员提出了一种新的预测策略。基于实验与仿真数据构建了三阶段串联神经网络模型，将二次应力准则和幂律准则嵌入作为物理约束。与无约束模型相比，该物理约束神经网络表现出更优的预测精度和稳定性。所提方法为CFRP胶接结构耐久性设计与评估提供了有价值的参考。

评审提示：原文题名与摘要及正文主题不一致；以下解读依据摘要与正文的CFRP胶接接头湿热老化研究内容。

研究背景与问题：胶接碳纤维增强聚合物（CFRP）结构在飞机设计与修复中应用增多，具有高粘接效率、连续应力分布、抗疲劳和减重优势。服役中会经历地面潮湿储存、雨水或冷凝及地面与飞行间温度变化，水分传输和温度相关材料性能会影响接头耐久性。单搭接接头（SLJ）因几何简单和载荷传递有效而广泛使用，但长期暴露于温度波动、湿度和盐雾会产生老化。老化失效可分为CFRP纤维断裂、胶层内聚失效、界面脱粘和混合模式失效。吸湿增加会使胶粘剂力学性能退化，且不同胶粘剂的湿热敏感性、降解机制和失效模式差异显著。传统SLJ拉伸失效测试不额外表征胶粘剂，因此湿热环境参数变化引起的结构失效机制认识不足。有限元建模（FEM）可提供物理仿真，但湿热效应建模困难；Fick定律及修正形式可描述水分扩散，渐进损伤模型需事先明确扩散和退化规律。FEM长期湿热老化分析计算成本高，难以覆盖设计空间；机器学习需大量数据且物理可解释性差。现有模型多基于常温湿条件，很少考虑老化时间与吸湿的时间耦合，也未将损伤演化方程嵌入网络。因此，研究人员建立实验、仿真与机器学习集成策略，基于实验和高保真物理仿真数据提出带物理损失约束的三阶段串联神经网络，用于高效准确预测湿热老化SLJ强度及趋势。

研究开展与结论意义：研究人员制备胶粘剂试样和T800 CFRP SLJ试样，开展湿热老化、吸湿测量、拉伸与剪切测试、FEM和DNN建模。结果表明：胶层吸湿遵循Fick定律，平衡吸湿量和扩散速率随温度增加且近似线性；胶粘剂拉伸强度与模量随吸湿量线性下降；SLJ剪切强度非线性降低，20天老化后降低13.41%，失效由内聚向界面转变，界面失效比例由19.74%升至87.27%；湿热耦合FE-CZM模型误差不大于5%；物理约束三阶段串联神经网络预测精度和稳定性优于无约束模型，二次应力准则与幂律准则约束效果最佳。该研究为CFRP胶接结构耐久性设计与评估提供参考。

主要关键技术方法（不超过250字）：按ISO 527-2:2012制备胶粘剂试样，按ASTM D570-98进行吸湿与强度测试；选用Araldite 2015、Lord-320/322、Loctite EA9460，SLJ采用Araldite 2015；T800 CFRP来自陕西天奇新材料科技有限公司。开展23–65 °C、不同湿度与时间的加速湿热老化，定期称重和力学测试。用Fick第二定律及热-湿类比建立吸湿扩散模型；用双线性内聚区模型（CZM）和内聚单元模拟胶层损伤，二次应力与幂律准则控制起裂和演化。用拉丁超立方采样（LHS）生成180个FEM样本，结合约10%实验数据形成200样本；构建三阶段串联神经网络，分别预测界面牵引、能量释放率和接头峰值载荷，并嵌入物理约束损失；用Adam优化器训练。

研究结果：
3. 湿热老化效应与失效机制
3.1 吸湿特性
3.1.1 吸湿过程实验结果：Araldite 2015吸湿初期较快，后趋于平台；升温加速扩散并提高吸湿量，20天吸湿量从23 °C的2.647%升至65 °C的4.378%；23 °C至65 °C扩散速率约增加10倍，平衡吸湿量增加70%；吸湿参数与温度近似线性，R²大于0.92，有限元模型采用线性假设。
3.1.2 吸湿过程仿真结果：胶粘剂试样仿真与实验吻合，验证吸湿模型；应用于完整SLJ后，整体吸湿曲线与实验吻合，胶层由边界向内部扩散，约250天达到饱和。
3.2 力学性能
3.2.1 湿热老化对胶层力学性能影响：拉伸试验表明吸湿后拉伸强度快速下降，接近饱和时趋稳；三种胶粘剂强度均随吸湿量线性下降，并给出Araldite 2015强度与模量随吸湿量拟合关系。
3.2.2 湿热老化对SLJ结构力学性能影响：SLJ吸湿率低于纯胶膜但遵循Fick扩散；在45 °C、100%相对湿度下，老化10天强度降低8.27%，20天降低13.41%；仿真与实验误差不大于5%，验证模型，并为机器学习提供参数化数据。
3.3 失效模式与机制分析
3.3.1 失效模式：未老化结构几乎均为胶层内聚失效，少量界面损伤；老化10天界面失效略增但内聚仍主导；老化20天后界面失效主导，比例由19.74%升至87.27%，是水分扩散和差异降解共同作用结果。
3.3.2 损伤演化：用有限元刚度退化标量（SDEG）分析，未老化结构随载荷增加，胶层从两侧吸湿最高处起始退化并向中心扩展，方向与水分扩散一致。
3.4 湿热老化机制讨论：平衡吸湿量和扩散系数随温度近似线性增加，源于分子链运动性增强和微孔增多；界面失效增加表明界面降解快于本体胶，与CFRP粘附和胶粘剂吸湿膨胀失配引起局部拉应力有关。模型能捕捉胶层水分时空演化和局部刚度退化，误差不大于5%；局限是非模量和强度参数采用线性退化假设，尤其断裂韧性非线性衰减，导致早期偏差；验证限于特定条件。
4. 数据驱动预测与物理约束增强
4.1 模型优化：比较sigmoid、tanh和linear激活函数，sigmoid总体最佳，均方误差（MSE）为0.0024，决定系数（R²）为0.9654，故选sigmoid。
4.2 物理边界：以二次应力、最大应力、BK和幂律准则为约束比较，评价MSE、平均绝对误差（MAE）、平均绝对百分比误差（MAPE）、R²和一致性指数（IA）；二次应力与幂律约束组合预测性能最好，预测值更集中于正负10%误差带。
4.3 讨论：二次起裂准则包含拉伸剥离与剪切牵引交互，适合SLJ搭接端混合应力；幂律准则关联混合模式能量与断裂阻力，与生成多数样本的内聚公式一致。三阶段串联架构将损伤过程分解为三个物理子任务，降低子映射复杂度并缓解小数据过拟合；物理损失项正则化中间预测但不保证严格物理允许。单隐层100神经元为当前数据实际选择，未系统优化。
5. 结论翻译：
本研究通过实验、有限元仿真和机器学习研究复合材料胶接结构湿热老化行为与剩余强度。结论：胶层吸湿遵循Fick定律，平衡吸湿量和扩散速率随温度增加，吸湿参数与老化温度近似线性；胶粘剂拉伸强度和模量随吸湿量增加而降低；SLJ剪切强度在湿热老化中非线性下降，失效模式随老化时间和吸湿增加由内聚向界面转变，界面失效比例由19.74%升至87.27%；建立的耦合吸湿扩散与CZM的有限元模型能准确模拟SLJ结构力学性能演化，仿真结果相对实验数据计算误差至多5%，验证模型准确性；提出带物理损失约束的三阶段串联神经网络模型，融合物理约束模型优于原模型，二次应力准则和幂律准则作为损失约束性能最佳，显著提高预测稳定性，并更好符合胶层损伤演化物理规律。

讨论部分总结：湿热老化机制方面，温度提高分子链运动性并增加微孔，使平衡吸湿和扩散系数近似线性增加；界面失效比例上升说明界面降解快于本体胶，吸湿膨胀失配引发局部拉应力。模型方面，湿热耦合有限元能描述胶层水分时空演化和局部刚度退化，误差不大于5%，但非模量、强度参数采用线性退化，断裂韧性非线性衰减未充分刻画，且验证条件有限。数据驱动方面，二次应力准则适合SLJ端部混合应力，幂律准则关联混合模式能量与断裂阻力，二者与内聚公式一致；三阶段串联结构分解物理子任务，减轻小数据过拟合并提高稳定性，物理损失约束提供正则化但不保证严格物理允许，单隐层100神经元为当前数据实际选择。