在压缩正应力作用下，经挤出复合材料的层间剪切粘合作用区的逆向识别模型

《COMPOSITE STRUCTURES》：Inverse identification of interlaminar shear cohesive zone model in pultruded composites under compressive normal stress

【字体：大中小】 时间：2026年05月10日 来源：COMPOSITE STRUCTURES 7.1

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　　Ming-Zhao Chen|Fei Li|Yong-Cheng Zhu|Shuang Che|Chen Wang重庆交通大学土木工程学院，中国重庆400074摘要现有的复合材料层间黏合区模型（CZM）通常是基于先验的牵引-分离定律（TSL）推导出来的，往往忽略了压缩法向应力的影

Ming-Zhao Chen|Fei Li|Yong-Cheng Zhu|Shuang Che|Chen Wang

重庆交通大学土木工程学院，中国重庆400074

摘要

现有的复合材料层间黏合区模型（CZM）通常是基于先验的牵引-分离定律（TSL）推导出来的，往往忽略了压缩法向应力的影响，这导致层间失效的建模存在显著差异。本研究提出了在不同压缩应力水平下的对称双缺口剪切（SDNS）试验。使用数字图像相关（DIC）技术捕捉剪切相对位移，并利用J积分与剪切相对位移之间的关系，反推出不同压缩法向应力和初始裂纹长度下单层纤维增强聚合物（PFRP）的CZM。所提出的反演方法消除了对预定义TSL的需求，能够直接确定实际的层间剪切CZM。结果表明，压缩法向应力显著增强了CZM中的关键界面参数，包括剪切强度、断裂能和失效位移，同时剪切界面表现出更高的机械强度。此外，在不同初始裂纹长度下，压缩法向应力提供的横向约束抑制了微裂纹的萌生和扩展，降低了缺陷对层间剪切强度的影响，并促进了界面行为从缺陷敏感向缺陷容忍的转变。

引言

在单层纤维增强聚合物（PFRP）复合材料中，层间剪切通常是螺栓连接 [1]、[2]、[3] 和预紧齿形连接（PTTC）[5]、[6]、[7]、[8] 中的主要载荷传递机制。在这种载荷条件下，PFRP复合材料容易发生II型层间失效，从而导致承载能力的丧失。然而，当前的工程实践和学术研究缺乏对PFRP接头在层间剪切下的力学响应、损伤演变和失效机制的全面理解。特别是，需要进一步研究II型层间断裂下的失效行为特征。

黏合区模型（CZM）已被广泛用于模拟纤维增强聚合物（FRP）复合材料中的层间失效，包括层间裂纹扩展和纤维-基体界面脱粘 [9]、[10]、[11]。CZM最初由Barenblatt [12] 和Dugdale [13] 在20世纪60年代初提出，基于Griffith断裂理论，将裂纹尖端的局部断裂过程描述为黏合区内的渐进演变现象 [14]。这种方法消除了线性弹性断裂力学（LEFM）中裂纹尖端的应力奇异性，是一种断裂过程的现象学模型。在此基础上，Liu等人 [15] 使用三点弯曲试验研究了PFRP复合材料沿纤维方向的断裂行为，建立了描述黏合区内损伤的双线性CZM。Haj-Ali等人 [16] 使用单边缺口拉伸和蝴蝶试样校准了黏合模型参数，有效预测了具有裂纹类缺陷的厚截面FRP的失效载荷。Li等人 [17] 从紧凑拉伸（CT）试样中推导出双参数黏合模型，捕获了FRP复合材料的强度、变形和能量耗散行为。Almeida-Fernandes等人 [18] 使用CT试验研究了PFRP截面的横向拉伸断裂，确定了临界能量释放率，并建立了相应的CZM。Calvo和Rozylo的研究表明，CZM可以准确捕获PFRP复合材料薄壁结构在整个载荷范围内的层间失效演变 [19]、[20]。Fame等人 [21] 进一步使用双线性黏合律研究了粘接固定的PFRP接头在拉伸载荷下的损伤容忍性。

尽管研究表明CZM在模拟层间断裂方面是有效的，但大多数CZM依赖于预定义的牵引-分离定律（TSL）形状，这可能无法完全捕捉实际的层间损伤演变 [22]、[23]。这可能导致载荷能力和失效行为的预测出现偏差 [24]、[25]、[26]、[27]。相比之下，基于实验数据的反演方法可以直接从实验中提取CZM和TSL的真实形状。例如，Sun等人 [28] 通过结合数字图像相关（DIC）和J积分方法，在I型断裂下的粘接接头裂纹扩展过程中直接反推了CZM。Ekhtiyari等人 [29] 使用J积分研究了不同加载率下双悬臂梁（DCB）试样中裂纹尖端后的实际TSL。Fernandes等人 [30] 研究了端切口弯曲（ENF）试样的断裂能量演变，通过整合DIC测量的相对位移，反推了CZM，并评估了黏合区的发展和所识别参数的可靠性 [31]。然而，值得注意的是，大多数反演研究主要集中在复合材料的I型断裂上，而针对PFRP在II型断裂条件下的黏合行为的系统框架尚未建立。

另一方面，在实际应用中，PFRP接头在承受层间剪切的同时通常会受到螺栓或钢板施加的预紧应力，但现有的CZM通常没有考虑这种效应。先前的研究表明，压缩应力可以显著提高界面剪切强度，并在裂纹扩展过程中增强断裂能量 [32]、[33]。例如，Gao等人 [34] 研究了PFRP在压缩法向应力下的层间剪切响应，并开发了一种非线性剪切本构模型。Gan等人 [35] 系统分析了压缩和剪切的耦合效应，并将其与多种失效标准进行了比较，并通过有限元模拟验证了他们的发现。然而，目前关于压缩法向应力增强效应的研究主要限于层间剪切强度和断裂能量，压缩法向应力对黏合区演变的具体影响仍不清楚 [36]、[37]。

鉴于黏合模型的现象学性质以及对压缩法向应力效应研究的不足，本研究设计了对称双缺口剪切（SDNS）试验，以研究在不同压缩应力和初始裂纹长度下的PFRP复合材料的层间剪切行为。通过DIC捕获剪切相对位移，并使用J积分将能量释放率与剪切位移关联起来。通过这种反演方法，重构了层间剪切CZM，为压缩法向应力和界面缺陷对损伤演变和机械性能的影响提供了新的见解。

节选

实验方案

设计了一种简单方便的实验装置来施加预载荷。通过对螺栓施加适当的扭矩，可以在SDNS试样的剪切平面准确地施加压缩法向应力。同时，使用DIC装置获取剪切平面在压缩载荷下的变形图像，以计算位移，为反推黏合模型提供实验基础。

测试结果

使用测试机获得了剪切能力，并使用DIC技术计算了相对剪切位移。获得了在不同压缩法向应力下的SDNS试样的载荷-位移曲线。通过将峰值剪切载荷除以净剪切面积得到了剪切强度。

CZM的反演方法

基于实验结果，使用MTS测试机获得了在不同压缩法向应力和初始裂纹长度下的施加载荷。同时，通过DIC捕获了全场位移数据。这些数据使得可以通过J积分计算剪切裂纹扩展过程中的能量释放率，并从DIC测量中提取剪切平面上的相对位移。通过建立两者之间的对应关系并执行

结果讨论

分析了不同压缩法向应力下剪切表面的裂纹扩展行为。此外，通过研究实验变量，获得了实验变量对界面参数（刚度、剪切强度和断裂能）的影响。

结论

基于SDNS剪切试验，考虑了压缩法向应力对剪切平面的影响，并结合DIC技术和J积分方法，研究了不同压缩法向应力和初始裂纹长度下的PFRP复合材料的II型层间剪切CZM。主要结论总结如下：

1.
J积分方法结合通过DIC获得的剪切相对位移数据，实现了

CRediT作者贡献声明

Ming-Zhao Chen：撰写 – 原稿撰写、资源提供、方法论制定、资金获取、数据管理、概念构思。Fei Li：撰写 – 审阅与编辑、可视化、研究、资金获取、正式分析。Yong-Cheng Zhu：资源提供、项目管理、正式分析、数据管理。Shuang Che：软件支持、资源提供、正式分析、概念构思。Chen Wang：监督、软件支持、项目管理、方法论制定。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金（编号：52478138）和

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