黏接結構在扭轉循環載荷下力學行為的試驗與理論研究綜述

研究概述

黏接結構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件，因其具有質量輕、比強度高、密封性及耐腐蝕性良好等突出優點，已被廣泛應用于航空航天、汽車和電子封裝等領域。然而在實際工程應用中，黏接結構常承受循環載荷作用，容易產生應力松弛和軟化現象，導致疲勞強度下降，最終造成疲勞失效。因此，對黏接結構進行系統的循環加載試驗和理論研究具有重要的工程意義和學術價值。

針對上述問題，鄭州大學機械與動力工程學院張軍、王壯壯、李海宇、張夢杰等人在《天津大學學報（自然科學與工程技術版）》（2024年第57卷第2期，pp.113-122）發表了題為《黏接結構在扭轉循環載荷下力學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，系統開展了應變控制的扭轉循環加載試驗，深入分析了平均剪應變和剪應變幅值對黏接結構力學行為的影響規律，并在此基礎上提出了一個非線性黏-彈性本構模型來描述黏接結構在扭轉循環載荷下的力學響應特征。

實驗方法與核心發現

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，剪切強度≥1.0 MPa，玻璃化轉變溫度378K），按照ASTM D2095-96標準制備了圓柱形中空對接試件。試驗設備為凱爾測控EUM-25K20電子萬能多軸疲勞試驗機，采用扭轉角控制模式進行非對稱扭轉循環加載試驗，加載時間間隔0.25 s，循環周期4 s，總循環圈數100圈。

圖1 對接黏接試件結構與尺寸示意圖

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

1. 扭轉循環加載的基本響應特征

典型加載條件下（平均剪應變49.5%、幅值16.5%）的試驗結果表明：黏接結構在扭轉循環載荷作用下的應力-應變響應曲線呈現下凹形狀，這與拉伸循環加載下的先凸后凹形狀明顯不同。該現象表明在扭轉載荷下，黏接材料的變形占主導地位，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行為：一是扭轉循環應力松弛——松弛應力在初始階段下降較快，隨后逐漸趨于穩定；二是循環軟化——循環曲線峰值應力和斜率均隨圈數增加而下降，且軟化現象在初始幾圈最為嚴重。

圖2 典型加載條件下對接結構的扭轉循環響應：(a)剪應力-剪應變曲線；(b)扭轉松弛應力演化；(c)斜率變化

2. 平均剪應變的影響規律

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

圖3 平均剪應變對試件扭轉循環行為的影響

3. 剪應變幅值的影響規律

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

圖4 剪應變幅值對試件扭轉循環行為的影響

非線性黏-彈性本構模型

基于連續介質理論的積分形式模型框架，本研究針對黏接結構在扭轉循環載荷下的特殊力學行為，提出了一個新的非線性黏-彈性循環本構模型。該模型的核心表達式為：

其中，G為模量，γ(t)為瞬時剪應變，η(t)為剪切循環應力松弛函數，R(n)為循環軟化函數，n為循環圈數，ρ為卸載系數（加載時ρ=0，卸載時ρ=1）。模型通過以下關鍵函數實現對應力松弛和循環軟化的描述：

• 剪切循環應力松弛函數：

式中b(n)為柔度變量，反映松弛應力隨時間和循環圈數的衰減規律。

• 循環軟化函數：

式中：τ 0為初始加載應力；Q為應力松弛飽和值；ω為材料參數.描述剛度退化隨循環次數的指數飽和特性。

• 活性分子鏈分布函數f(v)與分離函數Z(t,v)：基于高分子材料內部分子鏈網絡結構構建

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

圖5 不同恒定剪應變下的扭轉松弛試驗及模型參數擬合

模型驗證與對比分析

利用獲取的全部材料參數，采用應變控制方式（時間間隔0.01 s），對7組不同加載條件下的黏接結構扭轉循環行為進行了數值模擬計算。模型預測結果與試驗數據進行了全面的對比驗證。

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

圖6 不同平均剪應變條件下模型預測與試驗結果的對比（第1/10/100圈）

在不同剪應變幅值條件下（固定平均應變49.5%，幅值11.0%~27.5%），模型預測曲線同樣表現出良好的預測精度，成功捕捉到了幅值變化對應力響應的影響規律。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構在不同扭轉循環載荷條件下的力學行為，體現了平均剪應變與剪應變幅值對應力松弛和循環軟化的耦合影響。

圖7 不同剪應變幅值條件下模型預測與試驗結果的對比（第1/10/100圈）

需要指出的是，模型在高平均剪應變條件下存在一定誤差，未來需進一步改進以提高大應變條件下的預測精度。

結論與工程啟示

本研究通過系統的試驗和理論工作，深入揭示了圓柱形中空對接黏接結構在扭轉循環載荷作用下的力學行為規律，主要貢獻和結論如下：

（1）基本力學響應特征明確：黏接結構在扭轉循環載荷下的應力-應變曲線呈現獨特的下凹形狀，區別于拉伸循環載荷下的先凸后凹形態，表明扭轉載荷下黏接材料的變形占主導地位。同時發現了顯著的扭轉循環應力松弛和循環軟化現象——松弛應力初期快速下降后趨于穩定，循環軟化在前幾圈最為嚴重。

（2）載荷參數影響規律清晰：平均剪應變和剪應變幅值的增大均會加劇黏接結構的應力松弛與循環軟化效應。這一發現對于實際工程設計中合理選擇安全裕度具有重要指導意義——較高的平均應變水平或較大的循環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-彈性循環本構模型綜合考慮了剪切循環應力松弛、循環軟化以及平均剪應變和幅值的耦合影響，經試驗驗證具有良好的預測精度。該模型可為黏接結構疲勞損傷的準確預測與評價提供有效的理論工具。

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

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