0 引　言

纤维增强复合材料因其卓越的耐海水腐蚀性能以及高比强度和高比模量等特性，目前在船舶工程结构领域得到广泛应用。其结构不仅具备出色的可设计性，还易于成型加工^{[1 − 2]}。在船体结构中，夹芯复合材料构成的T型节点是广泛存在且至关重要的连接形式，其承载能力直接决定了整体结构的稳定性。凭借其纤维连续性以及轻量化特性等优势，在船舶的主、次承载部位得到广泛应用^{[3 − 4]}。

Atul等^[5]研究了3种不同配置的粘接碳纤维复合材料T型接头在拉拔载荷下的失效行为，并建立有限元模型成功拟合不同结构形式的失效模式。胡孝才等^[6]研究了复合材料T接头在拉脱载荷作用下的初始破坏位置及其影响因素，发现蒙皮与突缘的厚度比和宽度比是影响初始破坏位置的关键因素。陈亮等^[7]提出了一种T型节点处非平面连接方式的结构形式，通过剪切试验分析了该结构的主要失效形式和极限承载能力。

在船舶实际服役过程中，除了要承受载荷作用外，还会受到长期湿热等环境因素的影响，直接导致复合材料结构性能的下降，显著影响连接结构的使用寿命^[8]。许良等^[9]研究了T800碳纤维环氧树脂复合材料在湿热、热水和热氧环境下最大失效荷载以及剪切强度，材料在热氧环境中变化不大，而在其他环境中出现明显退化。汪依宁等^[10]通过试验和数值模拟研究了湿热环境下碳纤维增强树脂基复合材料的力学性能退化机制，分析了不同温度和老化时间对其吸湿行为和力学性能的影响，并建立了考虑湿热老化效应的复合材料力学性能预测模型。孙岩等^[11]通过盐雾、湿热和盐水浸泡加速试验，分析了其力学性能退化规律和失效机制，明确了不同老化方式对材料的影响顺序。彭益州^[12]研究了复合材料T型接头的饱和吸湿性能以及老化后T型接头的刚度和拉伸失效载荷，分析得到老化环境对该节点的影响大于胶层对节点的影响。

本文以玻纤增强乙烯基树脂为原材料，在恒定湿热条件（温度（60±2）℃、相对湿度（93±3）%）下进行了14个周期的暴露试验，通过对T型接头开展极限承载能力试验，分析对比其极限承载能力和刚度变化，揭示T型接头在湿热环境下的失效机理。

1 T型接头结构 1.1 T型接头形式

设计T型接头试件如图1所示，试验模型为夹芯复合材料T型连接结构，翼缘板长度为650 mm，腹板长度为250 mm，立板宽度为60 mm。T形拐角处的表皮厚度为6 mm。除拐角处外，夹芯板的上下表皮厚度均为4 mm，并在表皮之间填充了PVC芯材。其中腹板上的A区域为载荷加载区，翼缘板上的B区域是固定约束区。

1.2 T型接头标准件与老化件制备

T型接头采用真空辅助树脂灌注成型方法制作，常规环境下的试验试样共计3件，分别编号1、2、3。接头的老化试验参照GB/T 2573-2008《玻璃纤维增强塑料老化性能试验方法》进行，温度变化范围为（60±2）℃，相对湿度保持在（93±3）%，在以上恒定湿热条件下进行以24 h为一个周期的暴露试验，一共进行14个周期。湿热老化环境下的试样共3件，分别编号4、5、6，制备完成后的试件如图1(b)所示。

2 T型接头极限承载能力试验 2.1 试验方案与设备

T型接头极限承载能力试验通过测试横向载荷作用下模型的刚度和强度性能，来获取典型破坏模式。该T型连接件两端的固支位置约束到工装上，之后通过位移控制，在加载端持续施加垂向位移，直至结构破坏。通过获取测点处的应变应力值以及加载端的载荷和位移，以此分析模型的刚度和强度性能，为开展夹芯复合材料T型连接件结构设计提供技术依据和支撑。

根据以上试验要求，设计了以下工装：首先设计一个可以固定在极限强度试验平台上的基座。试验平台与工装基座通过螺栓固定。在基座上方焊接一个与试件长度相等的槽型钢，并在型钢后面焊接肘板进行加强。在槽型钢两端对应着试件的固定约束区开螺栓孔，通过螺栓和对应的钢板，把试件固定在槽型钢两端。试件的加载端也通过上下2个钢板进行约束。WDW-300型号的试验机半圆型夹头把载荷施加到试件加载端上表面钢板的区域，加载位置对应着试件加载端的中心位置。极限承载能力试验通过液压伺服试验机来施加横向载荷，加载速率为2 mm/min，并同时控制和记录施加载荷与位移，应变的采集通过HBM动态应变仪和数据采集系统来处理工装的具体实图如图2所示。

2.2 试验测点布置

根据T型连接件极限承载能力试验要求，应变片主要布置在T型连接件的主要变形和易发生极限破坏的位置处。8个应变测点位置如图3所示。应变测点均位于T型接头模型的对称中线位置。均为单向应变片，型号为BFH120-3AA-D-D150，敏感栅尺寸为3 mm×2 mm。

3 试验结果分析 3.1 常规环境下的极限承载能力

通过极限承载能力试验测试得，1号到3号标准试件载荷挠度曲线、极限破坏状态如图4所示。随着载荷的施加，试件加载端的挠度也随之增加，曲线为线性变化，此时刚度没有发生变化。随着载荷的增加，试件的刚度开始折减，曲线转变为非线性变化，达到极限抗弯承载力，试件发生极限破坏。

对于1号试件，其极限承载力为2751.60 N，对应的挠度为17.67 mm，主要破坏模式为立板与翼缘的上侧发生了蒙皮分层破坏，靠近翼板一侧的夹芯泡沫也发生了断裂。2号试件的极限承载力达到3823.10 N时，对应的挠度为46.78 mm。主要破坏模式为立板与翼缘的下侧发生了压缩破坏，蒙皮对应位置产生基体微裂纹，该位置的芯材也明显压缩。3号试件的极限承载力达到3587.4 N时，对应的挠度为27.72 mm。主要破坏模式为立板与翼缘的上侧蒙皮完全分层，下侧蒙皮过渡区也出现轻微分层，靠近翼板的夹芯泡沫完全断裂。

3.2 湿热老化后的极限承载能力

通过极限承载能力试验测试得，4号到6号标准试件载荷挠度曲线、极限破坏状态以及载荷应力曲线如图5所示。

老化测试件在曲线上看加载破坏过程与标准件一致，加载过程为线性阶段过渡到非线性阶段，最后载荷急剧下降，试件失效。对于4号试件，其极限承载力为3365.40 N，对应的挠度为25.16 mm，主要破坏模式为立板与翼缘的上侧蒙皮完全分层，下侧蒙皮过渡区轻微分层，靠近翼板一侧的夹芯泡沫也发生了断裂，其与3号试件一致。5号试件的极限承载力达到4018.80 N时，对应的挠度为52.63 mm。主要破坏模式为立板与翼缘的上侧蒙皮完全分层，下侧蒙皮大面积分层，过渡区靠翼板两侧的夹心泡沫完全断裂。6号试件的极限承载力达到3249.72 N时，对应的挠度为24.80 mm。主要破坏模式为立板与翼缘的上侧蒙皮轻微分层，下侧蒙皮过渡区的夹芯泡沫部分压缩。

3.3 数据对比分析

通过抗弯强度试验测试得，1号到6号试件的初始刚度、抗弯极限承载力，对应挠度见表1。可知，1号到3号标准试件的平均初始刚度为167.5 N/mm，平均极限承载力为3387.4 N。其中，1号试件的极限承载能力最小，为2751.6 N；3号试件抗弯极限承载力最大，为3823.10 N。4到6号老化件的平均初始刚度为200.9 N/mm，平均极限承载力为3544.64 N，大于标准件。其中，6号试件的极限承载能力最小，为3249.72 N；5号试件抗弯极限承载力最大，为4018.8 N。需要指出的是，老化前2号试验件和老化后6号试验件初始刚度测试数据离散性大，这主要在于T接头成型过程孔隙率及含胶量一致性控制不均匀以及试验测试过程中边界条件及位移加载控制有微小差异造成。采用平均值来对比老化前后初始刚度及极限承载力，可知初始刚度提升显著，极限承载力提升未达到显著水平。

老化前后试件平均初始刚度、抗弯极限承载力以及失效挠度如表2所示。

分别以试件3和试件4为例，结构的应变测试结果如图6所示。对于3号试样，当载荷加载到2758 N时，1号应变片损坏，无法继续采集应变；通过分析载荷应变曲线，可以发现1号与2号位置应变片的载荷应变曲线斜率是最大的，分别对应着拉应变与压应变；3号与4号位置应变片的载荷应变曲线斜率次之；5号与8号的应变非常接近，且远小于1号与3号的应变；6号与8号的应变差异也不大，且远小于2号与4号应变。对于老化试件4，1号应变片斜率最大，峰值336.95 MPa；在载荷达到3000 N前应力峰值规律同试件3。

所有试件的极限破坏均表现为：在板与翼缘的连接位置蒙皮与泡沫夹芯发生脱粘破坏，伴随蒙皮间发生脱粘，此外还会发生纤维压缩破坏，对应位置的夹芯泡沫也发生断裂。

老化后初始刚度提升主要原因在于基于真空灌注成型的玻纤增强环氧乙烯基酯树脂复合材料树脂基体的后固化效应。对于环氧树脂基体，在长期的湿热环境下其C-H等峰吸收带强度比的增加使基体产生积极的后固化作用^[13]。同时在复合材料老化初期，当材料吸湿增重率尚低时，较高的老化温度也会催化树脂发生一定程度的后固化，导致其交联密度暂时升高。然而，随着老化过程的持续推进，交联密度最终会呈现下降趋势^[14]。

T型接头极限承载力主要取决于蒙皮-芯材界面连接强度以及芯材抗拉强度，随着加载位移逐渐增大，蒙皮-芯材界面及芯材柱处产生微裂纹和微分层等缺陷，缺陷迅速扩大产生贯穿裂纹，进而导致蒙皮-芯材脱粘、芯材断裂，表现为承载力急剧下降。蒙皮-芯材界面有外蒙皮进行包覆，PVC泡沫为闭孔结构，且乙烯基树脂吸水率低（≤1.5%），因此湿热环境对完整的复合材料T型接头蒙皮-芯材界面、芯材柱影响有限，老化后极限承载力提升不明显。

另外短期湿热环境对复合材料船舶T型接头非劣化效应对复合材料船舶结构的维护保养也有一定参考意义。船舶复合材料T型接头主要应用于甲板-外板连接处，对于该处结构短周期暴露于湿热海洋环境后可不必过度防护，这为复合材料船舶维护保养管理提供一定借鉴。

4 结　语

本文通过对T型接头在标准条件和老化条件下的剪切试验，分析对比其极限承载能力、初始刚度变化以及失效模式的变化可得到以下结论：

1）T型接头在经历14个周期的湿热老化后，其初始刚度由190.1 N/mm上升到208.2 N/mm，提升9.5%。极限承载力由3387 N上升到3544 N，提升4.6%。这种提升可作为工艺性能稳定的一个参考指标，用来优化固化工艺参数，同时也可在制造流程中考虑引入后固化作为其中的一部分。在对比不同材料的老化性能时，通过老化初期表现出的强度，结合长期老化数据和韧性变化，可以更全面地评估不同材料体系的工艺和性能稳定性。

2）对于T型接头的失效模式，6个试样的主要失效模式均以蒙皮和芯材脱粘为主导，伴随局部蒙皮压缩破坏。短期湿热环境可改变T形接头初始刚度特性，但未诱发新的失效形式。

3）短期湿热环境对复合材料船舶T型接头非劣化效应有利于复合材料船体和甲板结构优化设计，进一步放大船舶应用复合材料减重效果。短期湿热环境对复合材料船舶T型接头非劣化效应对采用该型接头的甲板-外板连接处短周期暴露于湿热海洋环境后可不必过度防护，这为复合材料船舶维护保养管理提供一定借鉴。