黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下力學(xué)行為的試驗與理論研究綜述

研究概述

黏接結(jié)構(gòu)是用黏接材料將金屬或非金屬材料連接在一起組成的工程構(gòu)件，因其具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、密封性及耐腐蝕性良好等突出優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和電子封裝等領(lǐng)域。然而在實際工程應(yīng)用中，黏接結(jié)構(gòu)常承受循環(huán)載荷作用，容易產(chǎn)生應(yīng)力松弛和軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，最終造成疲勞失效。因此，對黏接結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的循環(huán)加載試驗和理論研究具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。

針對上述問題，鄭州大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院張軍、王壯壯、李海宇、張夢杰等人在《天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）》（2024年第57卷第2期，pp.113-122）發(fā)表了題為《黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下力學(xué)行為的試驗與理論研究》的研究論文。該研究以HP-172B硅烷改性聚氨酯密封膠黏接的圓柱形中空對接試件為對象，系統(tǒng)開展了應(yīng)變控制的扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載試驗，深入分析了平均剪應(yīng)變和剪應(yīng)變幅值對黏接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了一個非線性黏-彈性本構(gòu)模型來描述黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的力學(xué)響應(yīng)特征。

實驗方法與核心發(fā)現(xiàn)

本研究采用HP-172B硅烷改性聚氨酯密封膠作為黏接材料（固化后密度1.27 g/cm3，剪切強(qiáng)度≥1.0 MPa，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度378K），按照ASTM D2095-96標(biāo)準(zhǔn)制備了圓柱形中空對接試件。試驗設(shè)備為凱爾測控EUM-25K20電子萬能多軸疲勞試驗機(jī)，采用扭轉(zhuǎn)角控制模式進(jìn)行非對稱扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載試驗，加載時間間隔0.25 s，循環(huán)周期4 s，總循環(huán)圈數(shù)100圈。

圖1 對接黏接試件結(jié)構(gòu)與尺寸示意圖

試驗設(shè)計了兩組加載方案：方案一保持平均剪應(yīng)變不變，改變剪應(yīng)變幅值；方案二保持剪應(yīng)變幅值不變，改變平均剪應(yīng)變。具體包括7組不同參數(shù)組合的試驗條件（平均剪應(yīng)變范圍38.5%~71.5%，剪應(yīng)變幅值范圍11.0%~27.5%）。

1. 扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載的基本響應(yīng)特征

典型加載條件下（平均剪應(yīng)變49.5%、幅值16.5%）的試驗結(jié)果表明：黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線呈現(xiàn)下凹形狀，這與拉伸循環(huán)加載下的先凸后凹形狀明顯不同。該現(xiàn)象表明在扭轉(zhuǎn)載荷下，黏接材料的變形占主導(dǎo)地位，而黏接界面的變形相對較弱。同時，試驗觀察到兩個重要的力學(xué)行為：一是扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛——松弛應(yīng)力在初始階段下降較快，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；二是循環(huán)軟化——循環(huán)曲線峰值應(yīng)力和斜率均隨圈數(shù)增加而下降，且軟化現(xiàn)象在初始幾圈最為嚴(yán)重。

圖2 典型加載條件下對接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)循環(huán)響應(yīng)：(a)剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線；(b)扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力演化；(c)斜率變化

2. 平均剪應(yīng)變的影響規(guī)律

在固定剪應(yīng)變幅值（16.5%）的條件下，隨著平均剪應(yīng)變從38.5%增大到71.5%，研究發(fā)現(xiàn)：（1）循環(huán)曲線的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力均隨之增大；（2）扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力變得更加嚴(yán)重，特別是在高平均剪應(yīng)變（71.5%）時變化尤為顯著；（3）曲線斜率增加表明循環(huán)軟化程度加劇。綜合來看，平均剪應(yīng)變的增大會同時加劇黏接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化效應(yīng)，從而加速疲勞損傷累積，降低黏接強(qiáng)度。

圖3 平均剪應(yīng)變對試件扭轉(zhuǎn)循環(huán)行為的影響

3. 剪應(yīng)變幅值的影響規(guī)律

在固定平均剪應(yīng)變（49.5%）的條件下，隨著剪應(yīng)變幅值從11.0%增加到27.5%，試驗結(jié)果顯示：（1）循環(huán)曲線的最大/最小應(yīng)力及彎曲度均隨幅值增大而增加；（2）扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力的下降速度加快；（3）斜率δ增大說明循環(huán)軟化程度加重。結(jié)論表明，剪應(yīng)變幅值的增大同樣會加劇黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化現(xiàn)象，對疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。

圖4 剪應(yīng)變幅值對試件扭轉(zhuǎn)循環(huán)行為的影響

非線性黏-彈性本構(gòu)模型

基于連續(xù)介質(zhì)理論的積分形式模型框架，本研究針對黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的特殊力學(xué)行為，提出了一個新的非線性黏-彈性循環(huán)本構(gòu)模型。該模型的核心表達(dá)式為：

其中，G為模量，γ(t)為瞬時剪應(yīng)變，η(t)為剪切循環(huán)應(yīng)力松弛函數(shù)，R(n)為循環(huán)軟化函數(shù)，n為循環(huán)圈數(shù)，ρ為卸載系數(shù)（加載時ρ=0，卸載時ρ=1）。模型通過以下關(guān)鍵函數(shù)實現(xiàn)對應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化的描述：

• 剪切循環(huán)應(yīng)力松弛函數(shù)：

式中b(n)為柔度變量，反映松弛應(yīng)力隨時間和循環(huán)圈數(shù)的衰減規(guī)律。

• 循環(huán)軟化函數(shù)：

式中：τ 0為初始加載應(yīng)力；Q為應(yīng)力松弛飽和值；ω為材料參數(shù).描述剛度退化隨循環(huán)次數(shù)的指數(shù)飽和特性。

• 活性分子鏈分布函數(shù)f(v)與分離函數(shù)Z(t,v)：基于高分子材料內(nèi)部分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建

模型參數(shù)通過獨(dú)立的恒定剪應(yīng)變松弛試驗確定。通過選取3個恒定剪應(yīng)變水平（33.0%、49.5%、66.0%）進(jìn)行1800秒的應(yīng)力松弛測試，采用試算法擬合得到材料常數(shù)：模量G=1.53 MPa，松弛速率參數(shù)λ?=0.7869、λ?=0.0199、α=4.9561，分布參數(shù)Σ=0.54，黏性參數(shù)k=0.36。此外，各加載條件下的循環(huán)初值b?、柔化變量參數(shù)?、初始應(yīng)力τ?、松弛飽和值Q和材料參數(shù)ω也通過試驗數(shù)據(jù)逐一標(biāo)定。

圖5 不同恒定剪應(yīng)變下的扭轉(zhuǎn)松弛試驗及模型參數(shù)擬合

模型驗證與對比分析

利用獲取的全部材料參數(shù)，采用應(yīng)變控制方式（時間間隔0.01 s），對7組不同加載條件下的黏接結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)循環(huán)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。模型預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的對比驗證。

在不同平均剪應(yīng)變條件下（固定幅值16.5%，平均應(yīng)變38.5%~71.5%），模型計算的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)曲線在第1圈、第10圈和第100圈均與試驗結(jié)果吻合較好，能夠準(zhǔn)確描述循環(huán)軟化過程中曲線形狀的變化趨勢以及應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

圖6 不同平均剪應(yīng)變條件下模型預(yù)測與試驗結(jié)果的對比（第1/10/100圈）

在不同剪應(yīng)變幅值條件下（固定平均應(yīng)變49.5%，幅值11.0%~27.5%），模型預(yù)測曲線同樣表現(xiàn)出良好的預(yù)測精度，成功捕捉到了幅值變化對應(yīng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。整體而言，所提出的非線性黏-彈性模型能夠較好地描述黏接結(jié)構(gòu)在不同扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷條件下的力學(xué)行為，體現(xiàn)了平均剪應(yīng)變與剪應(yīng)變幅值對應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化的耦合影響。

圖7 不同剪應(yīng)變幅值條件下模型預(yù)測與試驗結(jié)果的對比（第1/10/100圈）

需要指出的是，模型在高平均剪應(yīng)變條件下存在一定誤差，未來需進(jìn)一步改進(jìn)以提高大應(yīng)變條件下的預(yù)測精度。

結(jié)論與工程啟示

本研究通過系統(tǒng)的試驗和理論工作，深入揭示了圓柱形中空對接黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下的力學(xué)行為規(guī)律，主要貢獻(xiàn)和結(jié)論如下：

（1）基本力學(xué)響應(yīng)特征明確：黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)獨(dú)特的下凹形狀，區(qū)別于拉伸循環(huán)載荷下的先凸后凹形態(tài)，表明扭轉(zhuǎn)載荷下黏接材料的變形占主導(dǎo)地位。同時發(fā)現(xiàn)了顯著的扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化現(xiàn)象——松弛應(yīng)力初期快速下降后趨于穩(wěn)定，循環(huán)軟化在前幾圈最為嚴(yán)重。

（2）載荷參數(shù)影響規(guī)律清晰：平均剪應(yīng)變和剪應(yīng)變幅值的增大均會加劇黏接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力松弛與循環(huán)軟化效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)對于實際工程設(shè)計中合理選擇安全裕度具有重要指導(dǎo)意義——較高的平均應(yīng)變水平或較大的循環(huán)幅值都會加速疲勞損傷累積。

（3）理論模型有效可靠：提出的非線性黏-彈性循環(huán)本構(gòu)模型綜合考慮了剪切循環(huán)應(yīng)力松弛、循環(huán)軟化以及平均剪應(yīng)變和幅值的耦合影響，經(jīng)試驗驗證具有良好的預(yù)測精度。該模型可為黏接結(jié)構(gòu)疲勞損傷的準(zhǔn)確預(yù)測與評價提供有效的理論工具。

（4）工程應(yīng)用價值顯著：研究成果可直接應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域中黏接連接部件的疲勞強(qiáng)度評估和壽命預(yù)測，同時也為相關(guān)復(fù)合材料的疲勞分析提供了實驗依據(jù)和理論參考框架。

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