《Composite Structures》：Designing tension-resistant multi-material structures via novel interfacial-effect-considered topology optimization method using material-field series expansion
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本研究设计了一种新型夹具，可对复合材料和胶接接头进行纯III型及混合I/III型断裂测试，适用于胶层厚度从不足1毫米到10毫米的多种样品。该夹具无需特殊加载装置，能灵活控制裂纹位置和混合模式比例，并支持不同材料测试。数值模拟和实验证明其能有效生成目标断裂模式，并揭示了裂纹长度、泊松比及胶层厚度对能量释放率分布的影响。
阿里·希瓦伊·科朱里（Ali Shivaie Kojouri）|贾瓦内·卡拉米（Javane Karami）|丹尼·范·赫梅尔里克（Danny Van Hemelrijck）|卡利奥皮-阿尔特米·卡尔特雷米杜（Kalliopi-Artemi Kalteremidou）
布鲁塞尔自由大学（Vrije Universiteit Brussel）材料与结构力学系（Department of Mechanics of Materials and Constructions, MeMC），比利时布鲁塞尔
摘要
本研究介绍了一种新型夹具，用于纯模式III和混合模式I/III下复合材料及粘接接头的表征，适用于具有薄/厚粘合层的接头。首先介绍了该夹具的设计及其独特特点。该夹具适用于多种类型的试样，包括复合材料试样和粘接接头，能够测试粘合层厚度从小于1毫米到10毫米的接头。此外，它可以通过控制试样的厚度来调整裂纹位置，并能够在裂纹前沿施加任意所需的混合模式I/III比例。数值模拟表明，该夹具能够生成纯模式III载荷以及可控的混合模式I/III条件，几乎可以覆盖整个试样裂纹前沿。同时，实验结果也证明了该夹具适用于厚粘接复合材料的断裂评估。研究还讨论了裂纹长度对不同载荷条件下能量释放率分布的影响。观察到在模式III载荷下，对于裂纹长度为80毫米的试样，模式III能量释放率的贡献超过了90%。最后，本文还探讨了泊松比的影响。
引言
由于粘接接头具有均匀受力分布、减轻重量和抗疲劳等优点，因此在结构中得到广泛应用。在航空航天和汽车工业中，粘接层的厚度通常小于1毫米；而在风力涡轮机和造船领域，为了补偿不同部件之间的公差，粘接层厚度可达到几厘米[1]。然而，不同断裂模式下粘接接头的断裂行为尚未得到充分理解。
无论是薄粘接层还是厚粘接层，其断裂行为主要在平面载荷条件下（即模式I和模式II[2]、[3]、[4]）进行研究。对于模式III断裂的表征，基于双悬臂梁（DCB）试样开发了分裂悬臂梁（SCB）试验方法，该方法常用于评估纯模式I载荷下粘接接头和复合材料的断裂行为。SCB与DCB试验的主要区别在于施加在试样上的载荷条件不同。Ripling等人[5]使用带有倾斜裂纹（斜面角）的锥形双悬臂梁（TDCB）试样来研究粘接接头的混合模式I/III特性。Chai[6]采用SCB试验方法研究粘接接头的模式III断裂。Loh和Marzi[7]提出了垂直载荷双悬臂梁（ODCB）方法，用于考虑粘接剂的弹塑性行为来分析模式III断裂。除了纯模式III外，Loh和Marzi[8]还使用混合模式控制双悬臂梁（MC-DCB）试样研究了超弹性粘接接头的混合模式I/III断裂行为。他们的装置使用了双轴（拉伸和扭转）驱动器来对试样施加不同模式的载荷。Jahanshahi等人[9]则利用双弯矩双悬臂梁（DBM-DCB）研究了粘接接头的混合模式断裂行为，其装置基于S?rensen等人[10]提出的不均匀弯矩双悬臂梁（UBM-DCB）配置。
除了粘接接头外，Donaldson[11]率先尝试使用垂直载荷下的DCB试样来研究复合材料的模式III特性。Sharif等人[12]对Donaldson的实验进行了数值模拟，发现试样边缘的模式II应变能量释放率（SERR）较高。他们还提出了一种改进的分裂悬臂梁（MSCB）试样，以减少模式II的贡献并增加模式III对总SERR的贡献[12]。此后，研究人员使用Sharif提出的配置对纤维增强聚合物的模式III断裂进行了研究[13]、[14]、[15]。Szekrényes[16]、[17]开发了MSCB试样的先进数据简化方法，并基于该配置提出了新的预应力梁装置，用于复合材料的混合模式断裂表征，包括混合模式I/II/III[18]、I/III[19]和II/III[20]。Davidson等人[21]、[22]也开发了另一种配置，用于复合材料的混合模式I/II/III[21]和I/III[22]断裂表征。他们的装置需要特殊的载荷块来在混合模式I/III条件下安装试样。
由于垂直载荷断裂试验所需的几何形状和载荷条件较为复杂，研究人员主要使用有限元（FE）模型来确定裂纹尖端的SERR或应力强度因子（SIF）分布，无论是对于粘接接头还是复合材料和整体材料[23]。需要注意的是，尽管针对复合材料和粘接接头的混合模式I/III和II/III载荷的研究和夹具有限，但已开发出多种夹具用于评估整体材料在混合模式I/II/III载荷下的性能[24]、[25]、[26]。Ayatollahi和Saboori[27]、[28]进行了高级FE模拟，以研究整体聚合物试样在混合模式I/III和II/III条件下的断裂行为。Guillén-Rujano[29]也利用FE分析展示了纯聚合物试样在模式III载荷下的SERR分布。Davidson[21]通过数值模拟确定了具有不同几何形状的复合材料试样在不同断裂模式下的SERR分布。De Morais和Pereira[30]开发了FE模型，用于评估碳纤维复合材料层间断裂的模式III特性（四点弯曲板试验4PBP）。尽管许多研究者广泛使用了FE分析，但大多数研究仅限于模拟单一裂纹长度。例如，Davidson和Sediles[21]以及Szekrényes[17]展示了模式III载荷下SERR与裂纹长度的依赖性。然而，这些研究仅报告了平均SERR值，未讨论裂纹长度对试样宽度上SERR分布的影响。据作者所知，Miura[13]的研究是唯一一个报告了两种不同裂纹长度下试样宽度上SERR变化的研究，不过该研究仅限于玻璃纤维增强聚合物。
本研究提出了一种新型夹具，用于复合材料和薄/厚粘接接头的模式III和混合模式I/III断裂分析。据作者所知，目前尚无其他具有如此多功能性的夹具，能够测试具有不同几何形状的试样在平面和垂直载荷组合下的断裂行为。虽然上述几种夹具可用于测试复合材料和薄粘接接头，但没有夹具能够测试厚粘接接头。该新型夹具具有以下关键优势：
• 可以测试不同类型的试样，包括复合材料试样和粘接接头 能够测试具有厚度公差的试样 可以测试粘合层厚度从小于1毫米到10毫米的粘接接头 可以通过粘接层厚度（试样中间或靠近/在界面处）或复合材料试样来调整裂纹位置 几乎可以在整个试样宽度上施加纯模式III和预设的混合模式I/III条件 测试试样无需使用双轴驱动器 无需特殊载荷块 不受试样材料类型的限制
为了介绍这种新型夹具并展示其性能，本文详细介绍了夹具的构造以及试样尺寸，并说明了所有上述特性的实现方式。随后详细解释了用于FE建模以获得裂纹前沿SERR分布的材料的力学性能。通过展示在特定裂纹长度下不同混合模式条件下的模拟结果，证明了该夹具在裂纹前沿提供不同模式混合比的能力。通过实验测试验证了该夹具在模式III和混合模式I/III载荷下测试厚粘接接头试样的能力。接着，对数值模拟结果进行了详细分析，以探讨粘合层厚度、裂纹长度和泊松比对不同模式混合比下SERR分布的影响。这些因素在相关文献中尚未得到详细讨论。此外，鉴于关于裂纹前沿SERR分布变化的研究较少，本文还展示了薄粘接接头、厚粘接接头以及复合材料试样在不同裂纹长度下的SERR分布。
复合材料和粘接接头断裂测试的新试验配置
新试验配置
图1和图2分别展示了新提出的用于测试DCB试样（包括10毫米厚粘合层）在混合模式I/III载荷下的示意图和分解图。为了清晰显示夹具的各个部件，每个部件都用不同的颜色标示。需要注意的是，为了能够测试具有不同基材和粘合层厚度的试样，并允许裂纹位于试样中间 数值模拟所用材料
模拟粘接接头时使用了SikaPower?-830环氧基粘合剂，该粘合剂专为风力涡轮机应用设计，由两种成分按47:100的比例混合而成。其拉伸性能数据来自基于ASTM D638-14标准在2毫米/分钟十字头速度下测试的狗骨形试样[36]。实验细节见[37]，粘合剂的性能参数列于表1中。玻璃纤维增强塑料（GFRP）用于模拟其他材料
有限元建模
为了研究断裂参数（如SIF或SERR）在裂纹前沿的分布，需要获取不同模式混合比和裂纹长度下的模式I、模式II和模式III断裂参数。然而，对于如此复杂的试验夹具，目前尚无理论方法，必须采用FE分析来推导断裂参数及其在裂纹前沿的分布。需要指出的是，SERR的获取方法
提出的夹具的实验和数值评估
本节简要介绍了新试验装置的实验过程。然后展示了在不同模式混合比条件下，厚粘接接头试样在裂纹前沿（即宽度方向）的数值获得的SERR分布，并进行了讨论。需要注意的是，由于模拟是在给定载荷下进行的，因此呈现的是标准化后的SERR值。
为了展示该夹具测试DCB试样的适用性
讨论
第5节展示了在不同模式混合比下加载的厚粘接接头的SERR分布数值结果。类似的数值模拟也针对薄粘接接头和复合材料试样进行，以证明该夹具的广泛适用性。
尽管目前没有明确的区分薄粘接接头和厚粘接接头的标准[52]，但最近
结论
本研究介绍了一种新型夹具，用于在纯模式III和混合模式I/III载荷下测试复合材料和粘接接头。具体而言，该夹具可以测试粘合层厚度从小于1毫米到10毫米的粘接接头，在各种平面和垂直载荷模式下进行测试。为了展示该夹具的潜力，首先详细介绍了其设计。基于CAD模型进行了FE模拟，并分析了不同试样（包括复合材料）的结果
作者贡献声明
阿里·希瓦伊·科朱里（Ali Shivaie Kojouri）： 撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、概念化。贾瓦内·卡拉米（Javane Karami）： 撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论研究、数据分析、概念化。丹尼·范·赫梅尔里克（Danny Van Hemelrijck）： 撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论研究、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢弗兰德斯研究基金会（FWO Vlaanderen）通过项目G031020N提供的资金支持，该项目名为“大型风力涡轮机叶片中厚粘接接头的联合数值和实验方法开发、测试与分析”。作者还感谢Sika Technology AG提供的材料和支持。
