单轴和双轴循环加载下黏弹性软粘接剂的棘轮应变和循环软化研究

     随着工业制造业对结构轻量化需求的日益增加，软粘接剂在汽车、航空航天和电子设备等领域的应用日益广泛。软粘接剂在循环加载工况下的疲劳失效将显著影响粘接结构的安全使用。考虑到软粘接剂往往表现出显著的黏弹性，研究黏弹性软粘接剂在复杂路径多轴循环加载下的变形对粘接结构的抗疲劳设计和安全评估具有重要意义。近日，郑州大学张军教授团队开展了具有黏弹性的改性聚氨酯软粘接剂HP-172B在单轴拉伸及双轴多路径应力控制循环加载工况下的变形行为的实验研究（图1），并建立了可描述上述复杂变形的循环本构模型。

图1 双轴加载路径示意图：(a) 比例路径；(b) 菱形路径；(c) 环形路径；(d) 椭圆形路径。

      本研究首先制备了哑铃状改性聚氨酯软粘接剂试样，并开展了单轴拉伸循环实验。如图2所示，具有黏弹性特性的软粘接剂在循环加载下发生了持续的循环蠕变及棘轮应变累积。随着循环次数的增加，软粘接剂发生了循环软化并伴随着耗散能的逐渐减少。为描述该演化规律，本研究提出了一个非线性黏弹性本构模型，该模型考虑了材料黏弹特性，基于唯象的Kelvin模型和Maxwell模型，构建了包含应变累积函数和斜率函数的数学表达式以预测材料在循环加载下的棘轮应变累积及循环软化行为。

图2 单轴加载循环试验的结果

图3 不同加载路径下软粘接剂的应变响应曲线

      考虑到实际服役中软粘接剂可能还需要承受双轴循环加载，因此，本研究进一步开展了考虑复杂加载路径的双轴拉伸循环加载试验。相较于单轴循环加载，非比例加载路径会导致更显著的棘轮应变累积，且棘轮应变的演化规律与加载路径强相关（图3）。在非比例循环加载工况下，不同方向上的拉伸变形导致分子链间相互作用改变，使分子链的黏性恢复相较于比例加载更困难最终表现为不同的棘轮应变累积规律。此外，不同加载路径下软粘接剂表现出不同的耗散能演化规律，非比例加载路径对应的初始耗散能和总耗散能均高于比例加载路径，这表明非比例加载路径可能对材料造成的损伤更大。为描述复杂加载路径下的材料变形，本研究通过引入加载路径系数发展了一个双轴多路径循环本构模型。该模型通过调整加载路径系数描述不同加载路径对材料棘轮应变的额外影响，从而准确预测双轴循环加载工况下的力学响应（图5）。

图4 不同加载路径下棘轮应变和耗散能随循环圈数的演化

图5 双轴多路径循环加载条件下模型计算与试验结果对比

      综上所述，本研究重点关注了软粘接剂循环变形过程中不同加载路径工况下棘轮应变、循环软化与材料损伤的关系，该研究结果有助于软粘接结构的抗疲劳设计和开发。值得一提的是：本研究将加载路径系数视为一个仅与加载路径相关的参数，而实际上，此参数可能与循环圈数相关。通过考虑循环圈数对加载路径系数的依赖性，并对其进行相应的修正，可进一步提高理论预测的精确性。

      相关研究论文以“Investigation on the ratcheting strain and cyclic softening of viscoelastic soft adhesive under uniaxial and biaxial cyclic loadings"为题发表在《International Journal of Fatigue》。