黏接结构在扭转循环载荷下力学行为的试验与理论研究综述

黏接结构在扭转循环载荷下力学行为的试验与理论研究综述

研究概述

黏接结构是用黏接材料将金属或非金属材料连接在一起组成的工程构件，因其具有质量轻、比强度高、密封性及耐腐蚀性良好等突出优点，已被广泛应用于航空航天、汽车和电子封装等领域。然而在实际工程应用中，黏接结构常承受循环载荷作用，容易产生应力松弛和软化现象，导致疲劳强度下降，最终造成疲劳失效。因此，对黏接结构进行系统的循环加载试验和理论研究具有重要的工程意义和学术价值。

针对上述问题，郑州大学机械与动力工程学院张军、王壮壮、李海宇、张梦杰等人在《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》（2024年第57卷第2期，pp.113-122）发表了题为《黏接结构在扭转循环载荷下力学行为的试验与理论研究》的研究论文。该研究以HP-172B硅烷改性聚氨酯密封胶黏接的圆柱形中空对接试件为对象，系统开展了应变控制的扭转循环加载试验，深入分析了平均剪应变和剪应变幅值对黏接结构力学行为的影响规律，并在此基础上提出了一个非线性黏-弹性本构模型来描述黏接结构在扭转循环载荷下的力学响应特征。

实验方法与核心发现

本研究采用HP-172B硅烷改性聚氨酯密封胶作为黏接材料（固化后密度1.27 g/cm³，剪切强度≥1.0 MPa，玻璃化转变温度378K），按照ASTM D2095-96标准制备了圆柱形中空对接试件。试验设备为凯尔测控EUM-25K20电子万能多轴疲劳试验机，采用扭转角控制模式进行非对称扭转循环加载试验，加载时间间隔0.25 s，循环周期4 s，总循环圈数100圈。

图1 对接黏接试件结构与尺寸示意图

试验设计了两组加载方案：方案一保持平均剪应变不变，改变剪应变幅值；方案二保持剪应变幅值不变，改变平均剪应变。具体包括7组不同参数组合的试验条件（平均剪应变范围38.5%~71.5%，剪应变幅值范围11.0%~27.5%）。

1. 扭转循环加载的基本响应特征

典型加载条件下（平均剪应变49.5%、幅值16.5%）的试验结果表明：黏接结构在扭转循环载荷作用下的应力-应变响应曲线呈现下凹形状，这与拉伸循环加载下的先凸后凹形状明显不同。该现象表明在扭转载荷下，黏接材料的变形占主导地位，而黏接界面的变形相对较弱。同时，试验观察到两个重要的力学行为：一是扭转循环应力松弛——松弛应力在初始阶段下降较快，随后逐渐趋于稳定；二是循环软化——循环曲线峰值应力和斜率均随圈数增加而下降，且软化现象在初始几圈最为严重。

图2 典型加载条件下对接结构的扭转循环响应：(a)剪应力-剪应变曲线；(b)扭转松弛应力演化；(c)斜率变化

2. 平均剪应变的影响规律

在固定剪应变幅值（16.5%）的条件下，随着平均剪应变从38.5%增大到71.5%，研究发现：（1）循环曲线的最大应力和最小应力均随之增大；（2）扭转松弛应力变得更加严重，特别是在高平均剪应变（71.5%）时变化尤为显著；（3）曲线斜率增加表明循环软化程度加剧。综合来看，平均剪应变的增大会同时加剧黏接结构的应力松弛和循环软化效应，从而加速疲劳损伤累积，降低黏接强度。

图3 平均剪应变对试件扭转循环行为的影响

3. 剪应变幅值的影响规律

在固定平均剪应变（49.5%）的条件下，随着剪应变幅值从11.0%增加到27.5%，试验结果显示：（1）循环曲线的最大/最小应力及弯曲度均随幅值增大而增加；（2）扭转松弛应力的下降速度加快；（3）斜率δ增大说明循环软化程度加重。结论表明，剪应变幅值的增大同样会加剧黏接结构的扭转应力松弛和循环软化现象，对疲劳寿命产生不利影响。

图4 剪应变幅值对试件扭转循环行为的影响

非线性黏-弹性本构模型

基于连续介质理论的积分形式模型框架，本研究针对黏接结构在扭转循环载荷下的特殊力学行为，提出了一个新的非线性黏-弹性循环本构模型。该模型的核心表达式为：

其中，G为模量，γ(t)为瞬时剪应变，η(t)为剪切循环应力松弛函数，R(n)为循环软化函数，n为循环圈数，ρ为卸载系数（加载时ρ=0，卸载时ρ=1）。模型通过以下关键函数实现对应力松弛和循环软化的描述：

• 剪切循环应力松弛函数：

式中b(n)为柔度变量，反映松弛应力随时间和循环圈数的衰减规律。

• 循环软化函数：

式中：τ 0为初始加载应力；Q为应力松弛饱和值；ω为材料参数.描述刚度退化随循环次数的指数饱和特性。

• 活性分子链分布函数f(v)与分离函数Z(t,v)：基于高分子材料内部分子链网络结构构建

模型参数通过独立的恒定剪应变松弛试验确定。通过选取3个恒定剪应变水平（33.0%、49.5%、66.0%）进行1800秒的应力松弛测试，采用试算法拟合得到材料常数：模量G=1.53 MPa，松弛速率参数λ₀=0.7869、λ₁=0.0199、α=4.9561，分布参数Σ=0.54，黏性参数k=0.36。此外，各加载条件下的循环初值b₀、柔化变量参数ς、初始应力τ₀、松弛饱和值Q和材料参数ω也通过试验数据逐一标定。

图5 不同恒定剪应变下的扭转松弛试验及模型参数拟合

模型验证与对比分析

利用获取的全部材料参数，采用应变控制方式（时间间隔0.01 s），对7组不同加载条件下的黏接结构扭转循环行为进行了数值模拟计算。模型预测结果与试验数据进行了全面的对比验证。

在不同平均剪应变条件下（固定幅值16.5%，平均应变38.5%~71.5%），模型计算的剪应力-剪应变响应曲线在第1圈、第10圈和第100圈均与试验结果吻合较好，能够准确描述循环软化过程中曲线形状的变化趋势以及应力松弛现象。

图6 不同平均剪应变条件下模型预测与试验结果的对比（第1/10/100圈）

在不同剪应变幅值条件下（固定平均应变49.5%，幅值11.0%~27.5%），模型预测曲线同样表现出良好的预测精度，成功捕捉到了幅值变化对应力响应的影响规律。整体而言，所提出的非线性黏-弹性模型能够较好地描述黏接结构在不同扭转循环载荷条件下的力学行为，体现了平均剪应变与剪应变幅值对应力松弛和循环软化的耦合影响。

图7 不同剪应变幅值条件下模型预测与试验结果的对比（第1/10/100圈）

需要指出的是，模型在高平均剪应变条件下存在一定误差，未来需进一步改进以提高大应变条件下的预测精度。

结论与工程启示

本研究通过系统的试验和理论工作，深入揭示了圆柱形中空对接黏接结构在扭转循环载荷作用下的力学行为规律，主要贡献和结论如下：

（1）基本力学响应特征明确：黏接结构在扭转循环载荷下的应力-应变曲线呈现独特的下凹形状，区别于拉伸循环载荷下的先凸后凹形态，表明扭转载荷下黏接材料的变形占主导地位。同时发现了显著的扭转循环应力松弛和循环软化现象——松弛应力初期快速下降后趋于稳定，循环软化在前几圈最为严重。

（2）载荷参数影响规律清晰：平均剪应变和剪应变幅值的增大均会加剧黏接结构的应力松弛与循环软化效应。这一发现对于实际工程设计中合理选择安全裕度具有重要指导意义——较高的平均应变水平或较大的循环幅值都会加速疲劳损伤累积。

（3）理论模型有效可靠：提出的非线性黏-弹性循环本构模型综合考虑了剪切循环应力松弛、循环软化以及平均剪应变和幅值的耦合影响，经试验验证具有良好的预测精度。该模型可为黏接结构疲劳损伤的准确预测与评价提供有效的理论工具。

（4）工程应用价值显著：研究成果可直接应用于航空航天、汽车制造等领域中黏接连接部件的疲劳强度评估和寿命预测，同时也为相关复合材料的疲劳分析提供了实验依据和理论参考框架。

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