金属 - 复合材料粘接接头的损伤容限评估：静力与疲劳载荷下缺陷尺寸、形貌及分布的影响

《COMPOSITE STRUCTURES》：Damage tolerance assessment of bonded metal–composite joints: Influence of defect size, morphology, and distribution under static and fatigue loading

　　

摘要

对胶接金属-复合材料接头进行损伤容限评估和结构完整性评价，需要系统性地了解接头性能对不同形态、尺寸和空间分布缺陷的敏感性。本研究通过实验方法，系统考察了包含多种人工缺陷配置的胶接7075铝合金-玻璃纤维增强塑料（GFRP）单搭接接头的静态性能与疲劳行为。所研究的缺陷类型包括连续缺陷、圆形点缺陷以及混合缺陷配置（点-点型与连续-点型），缺陷尺寸分别为搭接区域的10%、20%和30%，并分别设置于中间搭接、四分之一搭接及边缘搭接位置。疲劳试验在四个最大载荷水平下进行，分别对应无缺陷接头平均静态失效载荷的45%~75%。结果表明，连续缺陷对缺陷尺寸和位置均表现出显著的敏感性，导致静态强度和疲劳寿命的大幅降低，尤其是位于四分之一搭接区域附近的大型缺陷。相比之下，在静态载荷条件下，点缺陷表现出相对较低的敏感性，尺寸达到搭接区域30%的圆形缺陷仅使静态强度降低不到10%。然而，在疲劳载荷作用下，点缺陷的影响在高载荷水平下变得日益显著。对于混合缺陷配置，发现缺陷尺寸对疲劳性能的影响比缺陷的多重性或空间排列更具主导性。此外，多个小缺陷在高载荷水平下呈现出类似饱和的疲劳响应特征，表明其对缺陷分布的敏感性有所降低。失效模式分析进一步揭示，缺陷形态和载荷类型均对裂纹扩展路径及界面损伤演化过程产生显著影响。

引言

在过去几十年中，胶接技术在先进工程结构中得到了广泛应用，涵盖风力涡轮机叶片、飞机和无人驾驶航空器、汽车车身以及海洋与空间结构等领域[1,2,3,4,5]。这一领域日益增长的重视主要归因于胶接技术能够在相对较大的载荷传递区域上实现异种材料的连接，同时避免了机械紧固件接头中通常所需的孔洞——这些孔洞可能导致局部应力集中，特别是在复合材料被粘件中。与焊接相比，胶接也为具有不同材料和热特性的金属-复合材料系统提供了一条可行的连接途径。近年来，针对胶接、机械紧固及混合连接方式的对比研究进一步证实了胶接技术在复合材料结构中的潜力[6,7,8,9]。随着结构复合材料的快速发展和日益广泛的应用，胶接技术已成为众多应用场景中连接金属与复合材料部件不可或缺的方案[10,11]。众所周知，此类结构中的胶接接头会承受多种载荷工况，包括静态载荷、疲劳载荷、冲击载荷及循环冲击载荷。因此，结构的整体性能与完整性在很大程度上受到这些接头机械响应行为的制约[6,12,13,14,15,16]。与此同时，在胶接系统中，多尺度缺陷的存在是不可避免的。这些缺陷可能以多种形式出现，包括界面脱粘、孔隙、不连续体、胶层内部裂纹以及被粘件内部的损伤，如复合材料基体中的层间分层或基体开裂。此类缺陷可能在制造过程、表面处理或装配过程中引入，也可能在服役期间因外部载荷工况（如低速冲击或循环载荷）而演化发展[17,18,19,20,21]。因此，虽然系统性地表征缺陷在类型、尺寸和空间位置方面的分布提供了必要的描述性基础，但从结构完整性的角度来看，关键需求在于量化关键机械响应参数——如静态强度、疲劳寿命和断裂相关性能——对这类缺陷的存在及其配置的敏感性。建立这些敏感性关系有助于更严谨地理解不同缺陷情景对结构性能的影响机制。从工程实践的角度来看，此类知识构成了开发先进预测模型的基础，这些模型能够估算剩余强度和剩余使用寿命，并可集成到智能结构健康监测与预测性维护框架中。最终，这将促进检查、修复和更换策略决策的可靠性提升，从而提高高性能工程应用中的安全水平并降低全寿命周期成本。

在基于损伤容限的设计理念框架下，核心目标是评估胶接接头在不可避免缺陷存在的情况下维持安全运行的能力[22]。在此背景下，研究重点不仅在于缺陷检测，更在于量化关键机械响应——如静态强度和疲劳耐久性——对缺陷存在的敏感性，并确定这种性能退化在多大程度上可被容许。

在静态载荷下评估结构对缺陷的敏感性，是建立工程结构损伤容限的关键基础步骤之一，因此也是胶接接头损伤容限评估的重要组成部分。基于此，已有大量研究工作致力于探究缺陷对胶接接头静态强度和承载能力的影响机制[23,24,25,26,27,28,29,30]。从接头构型角度来看，其中大部分研究集中在单搭接构型上[28,29,30,31,32,33,34]，而针对斜角接头和双strap接头等其他几何构型的考察则相对较少[27,35]。这种区分在力学上具有重要意义，因为胶层内的载荷传递机制及由此产生的应力分布在不同接头构型之间存在差异。具体而言，剪切应力与剥离应力的相对贡献及其分布特征，以及缺陷周围的应力集中程度和载荷重新分配范围，均取决于接头的几何形状和刚度特性。

除接头构型外，已有研究还可根据所考察的缺陷特征进行分类，主要涉及缺陷尺寸、位置和类型（或形态）等方面。部分研究通过考察固定位置处不同尺寸缺陷的影响来探究缺陷尺寸的效应[25,27,31,33,34]。另有研究通过在搭接区域的不同位置（如边缘和中间搭接位置）评估特定缺陷来研究缺陷位置的效应[29]。还有一些研究在保持缺陷位置不变的情况下比较了不同缺陷类型或形态[28,32]。其他研究则综合两个或更多参数，以评估缺陷尺寸、位置和形态对胶接接头机械响应的交互影响[28,35]。除上述几何参数外，少数研究采用了更具根本性的视角，考察了缺陷形态、胶粘剂力学行为以及被粘件的刚度和变形特性对胶接接头损伤容限的影响[28,33]。这些研究表明，缺陷敏感性并非仅由缺陷几何形状所决定，还可受到胶粘剂和被粘件变形能力及应力重新分配能力的显著影响。

以下将简要讨论上述分类中若干代表性研究，以说明缺陷对胶接接头静态强度的影响。从损伤容限的角度来看，关注对象的缺陷范围可跨越不同尺度，从可能影响断裂起始和局部损伤演化的微观结构及工艺引起的不完美缺陷，到可能在检测、维护或修复过程中被识别的较大缺陷。尽管相关研究相对有限，近期已有研究聚焦于较小尺度的缺陷，包括胶层内部或胶接界面处的孔隙及微观结构缺陷[36,37]。例如，Pang等人[36]研究了微观界面缺陷和胶层缺陷对单搭接接头性能及断裂机制的影响，揭示了其对接头强度以及微观裂纹起始、汇聚和扩展的显著作用。类似地，Guin等人[37]考察了胶层内含孔隙的胶接接头的断裂行为。这些研究强调了在不同尺度上考虑缺陷敏感性的重要性，从微观结构缺陷到胶接区域内更大且可空间识别的缺陷。

Goh等人[25]采用碳/环氧复合材料斜角胶接接头，综合运用解析、实验和数值方法研究了搭接区域起始处缺陷尺寸的影响。其结果表明，接头强度不仅强烈依赖于缺陷尺寸，还显著受到靠近缺陷铺层纤维取向的影响。在另一项关于复合材料斜角胶接接头缺陷尺寸与位置影响的研究中，Hayes-Griss等人[27]发现，在某些环境条件下（如室温），接头强度随缺陷尺寸增加呈指数下降，直至达到某一阈值水平；而在此阈值以上，强度下降趋势趋于平缓。相比之下，在其他条件下（如湿热环境），强度对缺陷尺寸的敏感性有所降低。Karachalios等人[28]针对采用不同强度等级钢材制造、并分别使用延性和脆性胶粘剂胶接的金属单搭接胶接接头进行了实验研究，接头中在搭接区域中心引入不同尺寸的矩形和圆形缺陷。其结果表明，对于使用延性胶粘剂胶接的高强度钢被粘件，接头强度随缺陷尺寸增加呈线性下降；而使用较低强度钢被粘件时，强度降低则表现出非线性趋势。在一项实验研究中，Zhou等人[29]发现，在用玻璃/环氧复合材料制成的单搭接胶接接头中，引入尺寸相当于搭接面积10%的矩形缺陷后，位于中间搭接位置和边缘位置的接头剪切强度分别降低了10.9%和24.9%（与无缺陷试样相比）。Ribeiro等人[31]评估了位于搭接区域中心的矩形缺陷对碳/环氧胶接接头剪切强度的影响，分别考察了延性聚氨酯胶粘剂（Sikaforce 775）和脆性环氧胶粘剂（Araldite AV138）两种情形。其报告指出，由于缺陷存在导致的强度降低在使用延性胶粘剂胶接的接头中比使用脆性胶粘剂的更为显著。当缺陷覆盖搭接面积的75%时，使用脆性和延性胶粘剂胶接的有缺陷接头失效载荷分别降低了51.8%和72.4%（与对应的无缺陷接头相比）。Heidarpour等人[32]通过实验研究了位于搭接区域中心的二维和三维点型缺陷（具有方形、三角形和圆形几何形状）对采用环氧胶粘剂胶接的铝胶接接头静态剪切强度的影响。其结果表明，强度降低与三维缺陷尺寸的增加呈线性关系，而二维缺陷尺寸增加则导致强度呈非线性降低。在一项实验研究中，Fame等人[35]考察了复合材料胶接双strap接头搭接区域内多个缺陷相关参数的影响，包括缺陷位置（中间搭接、边缘和四分之一搭接）、缺陷形状（三角形、方形、矩形、圆形和椭圆形）、缺陷尺寸（占搭接面积的10%~30%）以及存在的缺陷数量（从1个到8个），评估了这些因素对接头强度的综合影响。其结果表明，对于尺寸约为搭接面积4%的小缺陷，缺陷形状对接头强度的影响可以忽略不计，所有缺陷几何形状导致的强度降低均低于21%。他们还进一步证明，位于四分之一搭接区域和边缘区域的缺陷更为关键，建议将此类缺陷位置视为主要的强度限制参数，相较于位于搭接区域中心的缺陷。此外，其研究结果表明，增加搭接区域内的缺陷数量可能会改变胶接接头的失效模式，使其从混合分层/界面脱粘模式转变为仅由界面脱粘主导的失效状态。Ghasemvand等人[33]使用环氧胶粘剂实验评估了位于搭接区域边缘和中心的缺陷对铝胶接接头剪切强度和蠕变行为的影响。其结果表明，覆盖搭接区域30%的缺陷导致强度降低约38%~53%（与无缺陷接头相比），且无论缺陷位于搭接区域边缘还是中心，其影响程度相近。

他们进一步观察到，含有边缘缺陷的试样在室温条件下表现出最高的蠕变位移。Guruprasad等人[34]研究了双胶配置对单搭接胶接接头抵抗位于重叠区域中心的不同尺寸矩形条状缺陷的影响。在他们的双胶设计中，重叠区域的中央部分采用脆性胶，而靠近重叠端部则使用韧性胶。他们的结果表明，无缺陷的双胶接头比仅使用韧性胶的对应单胶接头的强度高出约8%。此外，对于对应重叠区域20%和40%的缺陷尺寸，双胶接头的强度降幅分别仅为10.47%和29.78%，而单胶配置的强度降幅则为14.89%和33.06%。这些发现表明，双胶接头设计具有较低的缺陷敏感性和增强的损伤容限。综上所述，这些研究均表明，胶接接头对缺陷的静强度敏感性受多种相互作用因素的控制，包括接头构型、缺陷尺寸、位置、形态以及胶和胶接件的力学特性。然而，先前的研究通常仅考察了这些参数的特定组合。特别值得指出的是，缺陷形态、尺寸和空间分布的综合效应尚缺乏较为系统的研究关注，尤其是在金属-复合材料胶接接头方面。此外，现有研究表明，缺陷敏感性可受胶接系统的变形和应力再分配能力显著影响，这凸显了在解释缺陷容限时需考虑材料相关效应的重要性。鉴于工程结构中的胶接接头在其服役寿命内通常会承受各种静载、动载和循环载荷条件，评估这些接头在存在缺陷的情况下于此类载荷场景中的力学响应具有至关重要的意义。然而，尽管已有大量研究致力于研究含缺陷胶接接头的静态行为，但近年来仅有少量研究探讨了这些接头在更复杂载荷条件下的性能，特别是在存在缺陷时的动态载荷和疲劳载荷[32]、[33]、[38]、[39]。此外，在静强度敏感性评估范围内，近期大多数研究主要集中于连续条状缺陷、矩形缺陷以及在重叠区域内特定位置引入的点状缺陷的影响[21]、[23]、[24]、[27]、[28]、[30]、[34]、[35]、[25]、[27]、[28]、[32]、[33]、[40]、[41]。

基于上述讨论，现有文献中存在两个主要研究空白。首先，尽管已有不少研究考察了单个缺陷参数的影响，但对金属-复合材料胶接接头对不同类型缺陷形态、尺寸、位置及其组合构型的静强度敏感性的系统评估仍然有限。特别地，连续缺陷与点状缺陷同时存在所产生的相互作用效应，以及重叠区域内多个空间分布缺陷的效应，受到关注相对较少。解决这一方面的问题对于建立对抗不同缺陷场景的接头强度敏感性更全面的理解以及确定实际损伤容限裕度具有重要意义。更重要的是，关于含缺陷胶接接头疲劳行为的研究空白更为明显。虽然先前的研究考察了特定缺陷对静强度的影响，但对疲劳寿命对缺陷尺寸、位置和缺陷相互作用敏感性的系统评估仍然有限，特别是对含有多缺陷或混合缺陷构型的金属-复合材料胶接接头而言。因此，本研究对含有连续缺陷、圆形点状缺陷和混合缺陷构型的金属-GFRP胶接接头的损伤容限进行了系统的实验评估。本研究的首要主要贡献在于，系统评估了接头对缺陷形态、尺寸、位置、数量和空间分布的静强度敏感性，包括连续-点状和点状-点状缺陷组合构型所产生的相互作用效应。更重要的是，作为另一项主要贡献，本研究将该系统性敏感性评估扩展至疲劳载荷，评估了缺陷尺寸、位置和缺陷相互作用在不同最大载荷水平下对疲劳寿命的影响。因此，研究结果为比较不同缺陷场景如何影响金属-复合材料胶接接头的残余静强度和循环耐久性提供了基础，特别关注了疲劳行为中位置相关的和与相互作用相关的敏感性。本研究聚焦于金属-复合材料单搭接构型，该构型代表了具有实际相关性的混合胶接结构类别，同时也涉及了因胶接件刚度和变形特性不同所带来的额外复杂性。因此，研究结果并非旨在代表所有胶接构型，而是为理解该类混合接头中缺陷敏感性提供系统的实验基础。不同接头构型的影响以及基于断裂力学的试样（如双悬臂梁（DCB）和端部切口弯曲（ENF）构型）代表了损伤容限的互补方面，需要单独研究，因为它们针对不同的载荷和损伤场景。

材料
用于制造胶接接头的金属和复合材料胶接件由厚度为1.6 mm的7075铝合金板材和厚度为2.1 mm的单轴向（UD）玻璃纤维增强复合层板组成。该复合层板由七层单轴向玻璃纤维（METYX复合材料，土耳其伊斯坦布尔）组成，每层厚度约为0.3 mm。层板的铺层顺序为[0]?，即所有七层的纤维方向均对齐。

静态测试结果
图6展示了各试样组（包括含有连续缺陷、点状缺陷和混合缺陷的试样）静态测试中获得的典型载荷-位移曲线。值得注意的是，每张图中各缺陷组的测试条件均与无缺陷的参考试样进行对比。对这些曲线的分析表明，引入缺陷通常会降低接头

结论
本研究通过实验研究了含有不同人工缺陷构型的金属-复合材料胶接接头在静态和疲劳载荷条件下的损伤容限行为。通过考虑缺陷尺寸、空间位置、数量和缺陷相互作用对接头力学响应的影响，系统考察了三类主要缺陷，包括连续缺陷、圆形点状缺陷和混合缺陷构型。

未来研究方向
基于本实验研究的发现和局限性，建议以下未来研究方向：
• 开发先进的损伤和失效模型：开发能够考虑间距较近的缺陷之间的相互作用和合并的分析与数值损伤模型，同时表征胶层内部、胶-胶接件界面以及胶接件内部的结构损伤演化过程。
• 跨多种尺度研究缺陷
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资金来源
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何专门资助。
CRediT作者贡献声明
Shahriyar Zolfaghari：撰写——初稿、调查研究、数据管理。Mahmoud Shariati：撰写——初稿、验证、监督、方法学、概念构思。Pedram Zamani：撰写——初稿、可视化、监督、方法学、数据管理、概念构思。Lucas FM da Silva：撰写——初稿、验证、监督、方法学、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
Shahriyar Zolfaghari | Mahmoud Shariati | Pedram Zamani | Lucas FM da Silva