膠接體系的膠接強(qiáng)度、粘結(jié)能及損傷破壞研究1

1、膠接體系的膠接強(qiáng)度、粘結(jié)能及損傷破壞研究1)論文導(dǎo)讀:：膠接是指一種用粘合劑實(shí)現(xiàn)連接和固持的方法，膠接形式的金屬薄板在汽車工業(yè)，建筑業(yè)以及航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文采用有限元模擬方法，研究了該膠接體系在受載狀態(tài)下的滑剪破壞行為，重點(diǎn)關(guān)注了膠層粘結(jié)能，搭接長(zhǎng)度，膠層厚度對(duì)膠接接頭承載能力的影響，同時(shí)初步探討了膠層的界面損傷情況。膠層粘結(jié)能的提高能夠顯著提高接頭的承載能力。而搭接長(zhǎng)度對(duì)接頭膠接能力的影響受膠層粘結(jié)能的影響，較大的粘結(jié)能情況下，提高搭接長(zhǎng)度能夠顯著提高接頭的承載能力。膠層厚度對(duì)接頭的承載能力也存在影響，在本文考慮的厚度范圍內(nèi)，提高厚度能夠增強(qiáng)接頭的承載能力。最后初步考慮了接頭在

2、到達(dá)載荷峰值時(shí)刻的膠層損傷情況。論文關(guān)鍵詞：膠接體系，粘結(jié)能，損傷破壞1 引 言膠接是指一種用粘合劑實(shí)現(xiàn)連接和固持的方法。與其它連接形式相比，膠接具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，由于膠接采用的粘合劑密度較小，所以能夠有效地降低連接件的重量，滿足構(gòu)件的輕質(zhì)的要求。其次，膠接不需要在構(gòu)件預(yù)留孔洞，防止了構(gòu)件在使用過程中由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的破壞，延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命。最后，膠接在工藝上更加容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代粘合劑的開展提高了粘結(jié)強(qiáng)度，能夠滿足各種構(gòu)件的強(qiáng)度要求，金屬薄板就是其中一種常用的構(gòu)件。基于上述的優(yōu)點(diǎn)，膠接形式的金屬薄板在汽車工業(yè)【1】，建筑業(yè)【2】以及航空航天【3】領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，近年來逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

3、目前關(guān)于這方面的研究主要集中如何提高膠接強(qiáng)度上，如在粘結(jié)前對(duì)接頭區(qū)域進(jìn)行外表處理【4】，改變膠接接頭形態(tài)【5】來優(yōu)化受力等方法。而關(guān)于該問題無論從解析計(jì)算還是從數(shù)值計(jì)算上大多關(guān)注膠接層圖2 雙線性內(nèi)聚力模型的T-S關(guān)系曲線：a拉伸方向的內(nèi)聚應(yīng)力和拉伸方向別離量的關(guān)系；b剪切方向的內(nèi)聚應(yīng)力和剪切方向別離量的關(guān)系Fig. 2 Typical bilinear traction-separationlaw of cohesive zone model: (a) traction-separation relation in tension; (b)traction-separation relati

4、on in shear.根據(jù)圖2所示的雙線性內(nèi)聚力模型，拉伸和剪切方向的粘結(jié)能可分別表達(dá)為：當(dāng)界面的別離位移到達(dá)一定門檻值時(shí)，即滿足一定的損傷判據(jù)時(shí)，界面層將發(fā)生損傷。本文采用平面問題下的二次應(yīng)力判據(jù)quadratic nominal stress criterion：式中，為Macaulay括號(hào)，數(shù)學(xué)關(guān)系為，其物理意義表示純壓縮變形或者純壓縮應(yīng)力不產(chǎn)生任何損傷。本文采用內(nèi)聚力模型中常用的標(biāo)量型損傷變量D，即通過引入總別離量其中：，來表征界面單元進(jìn)入退化階段后的損傷程度：當(dāng)損傷發(fā)生后,D值從0單調(diào)遞增直至1；當(dāng)D值到達(dá)1時(shí)，界面單元發(fā)生完全失效并退化。式中的max代表整個(gè)加載歷史過程中的最大總

5、別離量，和分別表示內(nèi)聚力單元開始發(fā)生失效和完全失效時(shí)的總別離量，其中為：式中， Gc為界面在別離過程中釋放的總能量，為損傷起始時(shí)刻的有效應(yīng)力值，在本文中由下式給出：其中，和分別表示損傷起始時(shí)刻的拉伸和剪切方向的內(nèi)聚應(yīng)力值。3 結(jié) 果膠接的金屬薄板在水平拉伸過程中，其載荷值F隨著加載位移u的增大而增大，加載到一定程度，由于膠接區(qū)發(fā)生損傷破壞，載荷值F將下降。大量的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)將峰值Fp作為膠接能力的評(píng)價(jià)參數(shù)。通過對(duì)該過程進(jìn)行參數(shù)分析，可能對(duì)Fp產(chǎn)生影響的有以下參數(shù)：膠層強(qiáng)度，膠層粘結(jié)能或者稱為斷裂韌性(等同于公式中的Gc)，搭接長(zhǎng)度l，膠層厚度w；金屬板的材料屬性E，N和和尺寸a和h，以上描述

6、可以表示為如下的函數(shù)關(guān)系：方程可以轉(zhuǎn)化為如下的無量綱函數(shù)關(guān)系：本文將金屬板的材料屬性，尺寸以及膠層強(qiáng)度值均取為恒定值，因此主要考慮膠層粘結(jié)能，搭接長(zhǎng)度以及膠層厚度的影響。3.1 加載過程圖3給出了加載過程中構(gòu)件的載荷位移曲線，其中載荷值和位移值都作了歸一化處理。圖3a-b分別考慮了四種搭接長(zhǎng)度的情況。在每種搭接長(zhǎng)度下，分別改變膠層的粘結(jié)能小論文，得到不同粘結(jié)能情況下的加載曲線。從圖3中可以看出開始加載時(shí)，載荷值隨著位移的增大而增大，上升段曲線表現(xiàn)出近似的線性特征，在各種粘結(jié)能條件下，曲線的上升段幾乎重合。如果將曲線上升段的斜率看成接頭的膠接剛度，那么改變粘結(jié)能對(duì)該剛度的影響可以忽略。當(dāng)曲線上升

7、到一定程度時(shí)，載荷值到達(dá)極值，隨即開始下降，這里值得一提的是，不同膠層粘結(jié)能對(duì)曲線的下降方式產(chǎn)生影響，如圖4a所示，當(dāng)歸一化粘結(jié)能值分別為2.42，4.03，8.06時(shí)，載荷值超過極值后急劇下降，并且很快到達(dá)零，表現(xiàn)出明顯的脆斷特征；相比而言，當(dāng)歸一化粘結(jié)能值分別為40.31，80.61，120.92時(shí)，載荷值在越過極值后，下降得較為緩慢，而且較大的粘結(jié)能對(duì)應(yīng)的曲線下降得更為緩慢。(a)(b)(c)(d)圖3 受拉狀態(tài)下的歸一化載荷位移曲線，分別考慮不同歸一化搭接長(zhǎng)度l/h：Fig.6 The adhesive joint with a glue layer (a) can be equiva

8、lent to a casewithout adhesive between the upper and lower sheets (b).(a) (b)圖7 a當(dāng)歸一化搭接長(zhǎng)度為13.33時(shí)，不同膠層厚度下的載荷位移關(guān)系；b歸一化載荷峰值與厚度的關(guān)系Fig.7 (a) Load-displacement curves for selected thicknesses of the glue layerwith normalized overlap length of 13.33; (b) normalized peak load plotted as afunction of thickne

9、sses of the glue layer.3.5 膠層的損傷本節(jié)以圖3c所示情況為例，考察在接頭拉伸過程中載荷到達(dá)峰值時(shí)刻的界面損傷情況。損傷變量如公式所示，當(dāng)該值大于0時(shí)，認(rèn)為膠層發(fā)生了損傷，而當(dāng)該值到達(dá)1時(shí)，膠層完全破壞。圖8a給出了歸一化粘結(jié)能為0.0024情況下，載荷到達(dá)峰值時(shí)刻的膠層損傷分布，其中橫軸為位置坐標(biāo)，位置的原點(diǎn)為膠層的左端點(diǎn)?？梢钥吹皆摃r(shí)刻膠層靠近兩端的區(qū)域發(fā)生了損傷，而中間區(qū)域沒有損傷。發(fā)生損傷的膠層長(zhǎng)度lD與整個(gè)膠層長(zhǎng)度l的比值，即可表示該時(shí)刻膠層的損傷程度。圖8b給出了該比值與膠層各種粘結(jié)能的關(guān)系曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘結(jié)能較小時(shí)，在膠層損傷程度比擬低的情況下，載荷

10、就到達(dá)了峰值；相比而言，當(dāng)膠層粘結(jié)能較大時(shí)，膠層損傷程度很大的情況下，載荷才到達(dá)峰值。由此可以得出，較大的膠層粘結(jié)能使得整個(gè)膠層的承載能力能夠充分的發(fā)揮。(a) (b)圖8 歸一化搭接長(zhǎng)度為10的條件下，載荷到達(dá)峰值時(shí)刻：a膠層損傷分布，其中歸一化膠層粘結(jié)能為0.0024；b載荷膠層損傷的程度與歸一化膠層粘結(jié)能的關(guān)系Fig.8 Considering the case for normalized overlap length of 10, (a) thedamage distribution of the glue layer when the load arrive to the peak

11、 for thenormalized adhesive energy of 0.0024; (b) the damage level plotted as afunction of normalized adhesive energies.4 討 論本文主要考察了膠層的性能對(duì)金屬薄板膠接接頭滑剪過程中承載能力的影響，其中膠層的粘結(jié)能對(duì)提高接頭承載能力具有顯著的影響。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)【4】，采用韌性較好的膠具有明顯提高接頭承載能力的作用，本文的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。然而，本文在計(jì)算過程中始終采用相同的膠層粘合強(qiáng)度也可以被認(rèn)為是內(nèi)聚強(qiáng)度，而已有的實(shí)驗(yàn)中【4】，膠的粘合強(qiáng)度與其韌性似乎具有某種特

12、定的聯(lián)系，以后的計(jì)算中需要進(jìn)一步考慮膠層韌性對(duì)其粘合強(qiáng)度的影響，綜合評(píng)價(jià)膠層性能對(duì)接頭接合能的影響。此外，正如上文提到的，相當(dāng)多的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)將載荷峰值與膠接長(zhǎng)度的比值，作為膠層結(jié)合性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。而本文的模擬結(jié)果顯示這種評(píng)價(jià)參數(shù)具有很強(qiáng)的尺寸依賴性，也就是隨著搭接長(zhǎng)度的增大，該值逐漸變小如圖5b所示，而膠層的結(jié)合性能作為其固有材料屬性，不應(yīng)該表現(xiàn)出明顯地尺寸依賴性，所以對(duì)膠層結(jié)合性能的評(píng)價(jià)體系需要進(jìn)一步研究。關(guān)于膠層的厚度小論文，本文通過等效的方法，計(jì)算了峰值載荷與膠層厚度的關(guān)系。結(jié)果說明在一定厚度范圍內(nèi)，提高厚度值有利于增強(qiáng)接頭的承載能力。局部實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文有相似結(jié)論，但局部文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)也

13、給出了相反的結(jié)論，即提高厚度值反而降低了接頭的承載能力，可能由以下原因造成：首先，過厚的膠層增加了其中缺陷如微孔洞和微裂紋的數(shù)量，影響其膠接能力；其次，較厚的膠層使其發(fā)生塑性耗散更為迅速，接頭所受的彎矩也會(huì)使膠層兩端的應(yīng)力值過大。本文的計(jì)算忽略了這些影響，僅僅考慮了膠層厚度對(duì)粘結(jié)能的影響，以后的計(jì)算中將建立更為精細(xì)的模型，考慮膠層厚度對(duì)其它因素的影響。本文在最后初步考慮了接頭在到達(dá)載荷峰值時(shí)刻的膠層損傷情況，在膠層的粘結(jié)能比擬小的情況下如圖8a的情況，膠層中靠近兩端的區(qū)域發(fā)生損傷，而中間段并沒有發(fā)生損傷，這說明中間段的應(yīng)力值并沒有到達(dá)或超過其承載極限；相比而言，膠層的粘結(jié)能比擬大的情況下，更多

14、的膠層區(qū)域?qū)l(fā)生損傷，甚至全部膠層發(fā)生損傷，才到達(dá)載荷峰值，這充分發(fā)揮整個(gè)膠層的承載能力。這一結(jié)論對(duì)于膠層優(yōu)化有著重要作用，如在搭接區(qū)域的中間區(qū)域采用強(qiáng)度較弱的膠降低膠接本錢，而不影響整個(gè)膠接質(zhì)量。5結(jié) 論本文采用有限元模擬方法，研究了金屬薄板膠接接頭在受載狀態(tài)下的滑剪破壞行為，重點(diǎn)關(guān)注了膠層粘結(jié)能，搭接長(zhǎng)度，膠層厚度對(duì)膠接接頭承載能力的影響，同時(shí)初步探討了膠層的損傷破壞情況。膠層粘結(jié)能的提高能夠顯著提高接頭的承載能力。而搭接長(zhǎng)度對(duì)接頭膠接能力的影響受膠層粘結(jié)能的影響，較大的粘結(jié)能情況下，提高搭接長(zhǎng)度能夠顯著提高接頭的承載能力。膠層厚度對(duì)接頭的承載能力也存在影響，在本文考慮的厚度范圍內(nèi)，提高厚

15、度能夠增強(qiáng)接頭的承載能力。最后初步考慮了接頭在到達(dá)載荷峰值時(shí)刻的膠層損傷情況。本文的結(jié)果對(duì)于金屬薄板膠接接頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)【1】Grant L D R, Adams R D,da Silva L F M. Experimental and numerical analysis of single-lap joints forthe automotive industry. International Journal of Adhesion and Adhesives,2021, 29 (4): 405-413.【2】Wu Z S, Yuan H, Niu H D.Str

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