循环加载下TB991焊接密封胶力学行为的实验和理论研究

密封胶被广泛应用在汽车工业、建筑工程等领域，其在服役过程中常常需承受复杂的循环载荷，在可靠性评估中应充分考虑循环载荷对密封胶变形行为的影响。近日，郑州大学的张军教授团队对循环加载条件下密封胶的力学行为展开实验和理论研究。通过开展不同应变幅和平均应变的循环实验来分析松弛应力、循环软化和耗散能的演化规律，并提出了一种黏弹本构模型来描述密封胶的循环变形行为。

图1 循环加载实验结果：应力-应变响应曲线、松弛应力、循环软化以及耗散能量演化

本文的主要工作如下：首先在应变控制下对TB991密封胶开展了循环加载实验，研究了平均应变和应变幅对循环松弛应力、循环软化变量和耗散能的影响（图2）。然后根据循环载荷下密封胶的应力应变响应，提出相应的黏弹本构模型。所提出模型可良好描述密封胶在单圈加-卸载、循环加-卸载下的应力-应变响应以及循环应力松弛和软化现象。最后，通过计算结果与实验数据的比较，验证了所提出模型的有效性和准确性。

图2不同应变幅值下的循环拉伸实验结果

基于热力学原理的黏弹本构模型已被用来描述聚合物的非线性力学行为，其基本思想是将线弹性变形与符合高聚物力学行为的非线性黏弹变形相叠加以建立统一的本构模型。为描述首圈加-卸载和循环加-卸载之间应力应变曲线的不同形状，本文提出了初始加载以及循环加载下各自的黏性应变增量函数，引入循环应力松弛函数以控制密封胶的松弛应力，进而构建出可良好描述黏弹材料循环加-卸载的应力-应变响应以及循环应力松弛和循环软化的黏弹本构模型。

图3蠕变柔量主曲线与笛卡尔坐标中折减时间的关系

通过开展蠕变实验并对蠕变曲线进行时间-应力等效以获取模型参数，计算获得了密封胶在应变控制下的循环变形的应力-应变响应。理论与实验结果对比（图4）表明：材料的循环应力松弛和循环软化在初始循环加载阶段较为严重，随着循环圈数的增加而逐渐稳定；应变幅对耗散能的影响比平均应变更显著。理论计算的应力-应变曲线与实验结果吻合良好，该模型可较好描述应力-应变响应在首圈加-卸载和循环加-卸载下的形状差异。

图4 不同平均应变下模型预测与实验对比

在本研究中，所提出黏弹循环本构并未讨论循环周期对应力-应变响应的影响，由于黏弹性高聚物显著的时间依赖性，有必要围绕循环周期的影响展开进一步的研究。此外，若黏弹性软材料具有先软化后硬化的复杂超弹特征，其在不同应力水平下的循环变形行为也可能表现出循环软化或循环硬化，材料黏弹性与超弹性对循环变形的影响是耦合且复杂的，有必要可以对此问题进行深入研究。

相关研究论文以“Experimental and theoretical investigation on mechanical behaviors of TB991 weld sealant under cyclic loading"为题发表在《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》。