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提出一种新型夹具用于复合材料和粘接接头在纯III型及混合I/III模式下断裂行为测试，兼容薄至厚（<1mm至10mm）粘接层，支持裂纹位置控制和混合模式比例设定，有限元模拟验证其生成纯III型及可控混合载荷的能力，实验证实适用于厚粘接接头评估，并分析裂纹长度、泊松比等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）
比利时布鲁塞尔自由大学（Vrije Universiteit Brussel）材料与结构力学系（Department of Mechanics of Materials and Constructions, MeMC）
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厚度来调节裂纹位置，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，该夹具能够在试样的几乎整个裂纹前沿产生纯模式III载荷以及受控的混合模式I/III条件。同时，实验结果也证明了该夹具在评估厚粘接复合材料接头断裂性能方面的有效性。本文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。研究发现，在模式III载荷下，当裂纹长度为80毫米时，模式III能量释放率的贡献超过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研究。
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，研究人员基于双悬臂梁（DCB）试验开发了分裂悬臂梁（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性能。SCB试验与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]使用带有斜裂纹（斜角）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试验来研究粘接接头的模式III断裂特性。Loh和Marzi[7]提出了平面外加载双悬臂梁（ODCB）方法，以考虑粘接剂的弹塑性行为。除了纯模式III外，Loh和Marzi[8]还利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）执行器来对试样施加不同模式的载荷。Jahanshahi等人[9]则使用双弯矩双悬臂梁（DBM-DCB）研究了粘接接头的混合模式断裂行为，该装置基于S?rensen等人[10]提出的经典不均匀弯矩双悬臂梁（UBM-DCB）配置。
除了粘接接头外，Donaldson[11]首次尝试使用平面外加载的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断裂特性进行了研究[13]、[14]、[15]。Szekrényes[16]、[17]开发了先进的MSCB试样数据简化方法，并基于MSCB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断裂表征。他们的装置需要特殊的加载块来在混合模式I/III条件下测试试样。
由于平面外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块体材料[23]。尽管针对复合材料和粘接接头的混合模式I/III和II/III载荷的研究和夹具较少，但已开发出多种夹具来评估块体材料在混合模式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，以研究块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中的模式III层间断裂的四种点弯曲板（4PBP）试验。尽管许多研究人员广泛使用FE分析，但其应用主要限于单一裂纹长度的建模。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方向SERR分布的影响。据作者所知，Miura等人的研究[13]是唯一一项报告了两种不同裂纹长度下试样宽度方向SERR变化的研究，尽管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设计，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内和平面外断裂模式下的性能。虽然上述几种夹具可用于测试复合材料和薄粘接接头，但没有一种夹具能够测试厚粘接接头。该新型夹具具有以下关键优势：
•可测试多种试样，包括复合材料样品和粘接接头
•能够测试具有厚度公差的试样
•可测试粘合层厚度从小于1毫米到10毫米的粘接接头
•可以测试粘接接头中不同位置的裂纹（位于试样中部或靠近/位于界面处）或复合材料试样
•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
•测试试样时无需双轴执行器
•无需特殊加载块
•对测试不同材料的试样没有限制
为了介绍这种新型夹具并展示其性能，文中详细介绍了夹具的构造及试样尺寸，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建模的材料机械性能，以获得裂纹前沿的SERR分布。通过具体裂纹长度下的多种混合模式条件下的模拟结果，展示了该夹具提供不同模式混合比例的能力。实验测试进一步证明了该夹具在模式III和混合模式I/III载荷下测试厚粘接接头试样的能力。接下来，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和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配置
图1和图2分别展示了新提出的夹具的示意图和分解图，用于在混合模式I/III载荷下测试具有10毫米厚粘合层的DCB试样。为了清晰地标识夹具的各个部件，每个部件都用不同的颜色表示。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部
数值模拟所用材料
模拟粘接接头时使用了SikaPower?-830环氧树脂，这是一种专为风力涡轮机应用设计的粘合剂。该粘合剂由两种成分组成，混合比为47:100。其拉伸性能数据来自在2毫米/分钟十字头速度下测试的狗骨形试样，依据ASTM D638-14标准[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，需要获得不同模式混合比例和裂纹长度下的模式I、模式II和模式III断裂参数。然而，对于这种复杂的测试夹具，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的计算方法
提出的夹具的实验和数值评估
本节简要介绍了新测试装置的实验过程。随后展示了在不同模式混合比例条件下，厚粘接接头试样裂纹前沿（即宽度方向）的SERR分布。由于模拟是在给定载荷下进行的，因此呈现了归一化的SERR值。
为了展示该夹具在纯模式载荷下测试DCB试样的适用性
讨论
第5节展示了在不同模式混合比例下，厚粘接接头在SERR分布方面的数值模拟结果。类似的数值模拟也用于薄粘接接头和复合材料试样，以证明该夹具的广泛适用性。
尽管目前尚无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，该夹具可测试粘合层厚度从小于1毫米到10毫米的粘接接头，在多种平面内和平面外断裂模式下均可使用。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，并分析了不同试样的结果，包括复合材料
CRediT作者贡献声明
阿里·希瓦伊·科朱里（Ali Shivaie Kojouri）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据整理、概念构思。贾瓦内·卡拉米（Javane Karami）：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论设计、数据整理、概念构思。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、方法论设计、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
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。
